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DE102023201992A1 - Stack arrangement for electrochemical energy conversion - Google Patents

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DE102023201992A1
DE102023201992A1 DE102023201992.2A DE102023201992A DE102023201992A1 DE 102023201992 A1 DE102023201992 A1 DE 102023201992A1 DE 102023201992 A DE102023201992 A DE 102023201992A DE 102023201992 A1 DE102023201992 A1 DE 102023201992A1
Authority
DE
Germany
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cells
arrangement
stack
stacking arrangement
segments
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023201992.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Goetz-Martin Bertelsmann
Annika Utz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2024/055848 priority patent/WO2024184395A1/en
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stapelanordnung (12) zur elektrochemischen Energiewandlung mit einer Anzahl übereinanderliegend gestapelter Zellen (14), wobei die Zellen (14) jeweils eine Membran (16) aufweisen, der eine Kathodenfunktionsfläche (20) und eine Anodenfunktionsfläche (22) zugeordnet sind und zwischen den Zellen (14) Bipolarplatten (24) und/oder Monopolarplatten (48) und/oder Polarplatten (49) angeordnet sind. Innerhalb der Stapelanordnung (12) sind entweder Unterstapel (74, 76, 78) mit einer Anzahl von Zellen (14) oder Zellen (14) in Bezug zueinander in umgekehrter Abfolge (105) oder in Kombination von beidem angeordnet, wobei eine elektrochemisch aktive Fläche (18) der Zellen (14) in mehrere galvanisch voneinander getrennte Segmente (62, 64, 66, 68) unterteilt ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Stapelanordnung (12) zur Gestehung von Wasserstoff in einer Elektrolyseeinrichtung oder einer Brennstoffzelle zur Umwandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom und auf die Verwendung der Stapelanordnung (12) in elektrochemischen Systemen zur Wandlung von gasförmigen oder flüssigen Medien in elektrischen Strom und auf die Verwendung der Stapelanordnung (12) in einem Redox-Flow-System.

Figure DE102023201992A1_0000
The invention relates to a stack arrangement (12) for electrochemical energy conversion with a number of cells (14) stacked one above the other, wherein the cells (14) each have a membrane (16) to which a cathode functional surface (20) and an anode functional surface (22) are assigned, and bipolar plates (24) and/or monopolar plates (48) and/or polar plates (49) are arranged between the cells (14). Within the stack arrangement (12) there are either sub-stacks (74, 76, 78) with a number of cells (14) or cells (14) arranged in reverse order (105) with respect to one another, or a combination of both, wherein an electrochemically active surface (18) of the cells (14) is divided into several galvanically isolated segments (62, 64, 66, 68). Furthermore, the invention relates to the use of the stack arrangement (12) for producing hydrogen in an electrolysis device or a fuel cell for converting hydrogen into electrical current and to the use of the stack arrangement (12) in electrochemical systems for converting gaseous or liquid media into electrical current and to the use of the stack arrangement (12) in a redox flow system.
Figure DE102023201992A1_0000

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf mindestens eine Stapelanordnung zur elektrochemischen Energiewandlung, die aus mehreren übereinanderliegend gestapelten Zellen gebildet ist, wobei die Zellen jeweils eine Membran aufweisen, der eine Kathode und eine Anode zugeordnet sind und zwischen den Zellen in der mindestens einen Stapelanordnung Platten, Monopolarplatten oder Bipolarplatten vorgesehen sind. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung insbesondere auf die Verwendung der Stapelanordnung zur Gestehung von H2 in einer Elektrolyseeinrichtung oder eine Brennstoffzelle zur Umwandlung von H2 in elektrischen Strom oder in elektrochemischen Systemen zur Wandlung von gasförmigen oder flüssigen Medien in elektrischen Strom oder in Redox-Flow-Systemen.The invention relates to at least one stack arrangement for electrochemical energy conversion, which is formed from several cells stacked one above the other, wherein the cells each have a membrane to which a cathode and an anode are assigned and plates, monopolar plates or bipolar plates are provided between the cells in the at least one stack arrangement. Furthermore, the invention relates in particular to the use of the stack arrangement for generating H 2 in an electrolysis device or a fuel cell for converting H 2 into electrical current or in electrochemical systems for converting gaseous or liquid media into electrical current or in redox flow systems.

Stand der TechnikState of the art

Stapelanordnungen (Stacks), insbesondere für Elektrolyse, zum Beispiel den Untergruppen PEM-Stapelanordnungen (Polymer-Elektrolyt-Membran oder Protonenaustauschmembran, AEM-Stapelanordnungen (Anionenaustauschmembran), SOC-Stapelanordnungen („Solid Oxide Cell“, Festoxidzelle) und AEL-Stapelanordnungen (alkalische Elektrolyse), sind in der Regel als vertikale Stapelanordnung von einzelnen Zellen ausgeführt. Die einzelnen Zellen sind in vertikaler Richtung übereinandergestapelt. Kernstück einer einzelnen Zelle der Stapelanordnung ist eine Membran, die auf ihrer Ober- und ihrer Unterseite mit Elektroden für Anode und Kathode versehen ist. Eine derartig beschaffene Membran ist beispielsweise die CCM (Catalyst Coated Membrane), es sind aber auch andere Varianten, wie beispielsweise CCS (Catalyst Coated Substrate) denkbar. Unter Anlegen einer elektrischen Spannung wird im Elektrolysefall zugeführtes Wasser in die Bestandteile H2 und O2 zerlegt. Damit sich die Produktgase nicht mischen, ist auf beiden Seiten der Membran eine Dichtung angebracht, die auch die Funktion eines Rahmens übernehmen kann und die zudem die Verbindung mit den entsprechenden Medienkanälen sicherstellt und/oder diese beinhaltet. Die pro Zelle benötigte Spannung ergibt sich aus thermoneutraler Spannung und Verlusten des elektrochemischen Prozesses sowie den vorliegenden Übergangswiderständen. Übliche Spannungswerte pro Zelle liegen im Bereich von 1,5 Volt bis 2,3 Volt.Stack arrangements, in particular for electrolysis, for example the subgroups PEM stack arrangements (polymer electrolyte membrane or proton exchange membrane, AEM stack arrangements (anion exchange membrane), SOC stack arrangements (solid oxide cell) and AEL stack arrangements (alkaline electrolysis), are usually designed as vertical stack arrangements of individual cells. The individual cells are stacked vertically on top of each other. The core of an individual cell in the stack arrangement is a membrane that is provided with electrodes for anode and cathode on its top and bottom. A membrane designed in this way is, for example, the CCM (catalyst coated membrane), but other variants such as CCS (catalyst coated substrate) are also conceivable. When an electrical voltage is applied, water supplied in the case of electrolysis is broken down into the components H 2 and O 2. To prevent the product gases from mixing, a seal is provided on both sides of the membrane. which can also take on the function of a frame and which also ensures the connection to the corresponding media channels and/or contains them. The voltage required per cell results from the thermoneutral voltage and losses of the electrochemical process as well as the existing contact resistances. Typical voltage values per cell are in the range of 1.5 volts to 2.3 volts.

Durch eine Stapelung mehrerer baugleich ausgeführter Zellen, d. h. der Stapelanordnung (Stack), und einer elektrischen Reihenschaltung, zum Beispiel mittels einer Mono- und/oder Bipolarplatte steigt die Spannung einer Stapelanordnung (Stack) damit auf n · Zellspannung, wobei n = Anzahl der Zellen ist.By stacking several identically constructed cells, i.e. the stack arrangement, and an electrical series connection, for example by means of a monopolar and/or bipolar plate, the voltage of a stack arrangement increases to n · cell voltage, where n = number of cells.

Der Strom bleibt bei einer solchen elektrischen Reihenschaltung gleich, mit einer vergrößerten Zellfläche steigt der Stapelanordnungsstrom proportional. Die Stapelanordnungsspannung (Stack-Spannung) ist durch eine obere Grenze begrenzt, welche durch die Anzahl maximal stapelbarer Zellen pro Stapelanordnung von typischerweise unter 300 Zellen durch mechanische Grenzen bedingt ist, so dass sich üblicherweise nur eine Stapelanordnungsspannung < 600 Volt erreichen lässt.The current remains the same in such an electrical series connection; with an increased cell area, the stack arrangement current increases proportionally. The stack arrangement voltage is limited by an upper limit, which is determined by the maximum number of stackable cells per stack arrangement of typically less than 300 cells due to mechanical limitations, so that usually only a stack arrangement voltage of < 600 volts can be achieved.

Die Nachfrage nach Elektrolyseleistung ist im Steigen begriffen, gleichzeitig sind die jeweils erzielbaren Wasserstoffgestehungskosten (LCOH, Levelized Cost of Hydrogen) ein wesentlicher Treiber für eine erfolgreiche Verbreitung. Zur Leistungssteigerung der Elektrolyse ist die Effizienz von Elektrolyseanlagen ausschlaggebend, insbesondere auch die erzielbaren Wirkungsgrade entlang der Prozesskette, inklusive beispielsweise der Leistungselektronik.The demand for electrolysis capacity is increasing, while the achievable hydrogen production costs (LCOH, Levelized Cost of Hydrogen) are a key driver for successful distribution. The efficiency of electrolysis plants is crucial for increasing the performance of electrolysis, in particular the achievable efficiencies along the process chain, including, for example, power electronics.

Bei größeren Solarparks wird verstärkt die Nutzung von Gleichstromsystemen bei möglichst hohen Spannungen angestrebt und auch bei Windkraftanlagen im Elektrolyseumfeld wird perspektivisch auf eine Gleichstromverteilung mit einer hohen Spannung gesetzt (zum Beispiel Offshore-Windkraftanlagen). Der Transport hoher Leistungen ist generell bei hohen Spannungen und entsprechend niedrigen Strömen vorteilhafter für die Effizienz der Übertragung, da der Strom quadratisch in die Verlustleistung eingeht. Geringere Leitungsquerschnitte sparen somit Gewicht und Kosten.For larger solar parks, the use of direct current systems with the highest possible voltage is increasingly being sought, and wind turbines in the electrolysis environment will also be using direct current distribution with a high voltage in the future (for example offshore wind turbines). The transport of high power is generally more advantageous for the efficiency of the transmission at high voltages and correspondingly low currents, since the current is quadratically included in the power loss. Smaller cable cross-sections therefore save weight and costs.

Für die Prozesskette in Elektrolyseanlagen lässt sich daraus ableiten, dass möglichst hohe Spannungen anzustreben sind, beispielsweise die Ausreizung der Niederspannungsgrenze, die bei 1500 Volt liegt. Aber auch oberhalb der Niederspannungsgrenze ist ein Mittelspannungsniveau von beispielsweise 10 kV bis maximal ca. 54 kV Gleichstrom als direkte Versorgungsquelle denkbar.For the process chain in electrolysis plants, it can be deduced that the highest possible voltages should be aimed for, for example by exploiting the low-voltage limit, which is 1500 volts. But even above the low-voltage limit, a medium-voltage level of, for example, 10 kV up to a maximum of approx. 54 kV direct current is conceivable as a direct supply source.

Ein derartiges Spannungsniveau kann und wird üblicherweise durch eine Reihenschaltung von mehreren Stapelanordnungen erreicht. Eine solche elektrische Reihenschaltung birgt jedoch Risiken, wenn beispielsweise eine oder mehrere Stapelanordnungen (Stacks) ausfällt/ausfallen und damit der gesamte Stromkreis nicht mehr geschlossen ist und/oder bei Überbrückungen von Stacks die minimal benötigte Spannung unterschritten wird. Des Weiteren sind zur Bewältigung der anfallenden Ströme relativ große Stromschienen erforderlich, die materialintensiv und damit teuer sind. Bei höheren Spannungen kann die erforderliche höhere Isolationsfestigkeit im Verhältnis dazu üblicherweise günstiger erreicht werden.Such a voltage level can and is usually achieved by connecting several stack arrangements in series. However, such an electrical series connection involves risks if, for example, one or more stack arrangements (stacks) fail and the entire circuit is no longer closed and/or the minimum required voltage is not reached when stacks are bridged. Furthermore, relatively large busbars are required to handle the currents that arise, which are material-intensive and therefore expensive. At higher voltages, the higher insulation required can tion strength can usually be achieved more cheaply in comparison.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Der vorliegenden Erfindung folgend wird eine Stapelanordnung zur elektrochemischen Energiewandlung vorgeschlagen, mit einer Anzahl übereinanderliegend gestapelter Zellen, wobei die Zellen jeweils eine Membran aufweisen, der eine Kathode und eine Anode zugeordnet sind und zwischen den Zellen Polarplatten, Bipolarplatten und/oder Monopolarplatten angeordnet sind, wobei die elektrochemisch aktiven Flächen der Zellen in mehrere galvanisch voneinander getrennte Segmente unterteilt sind. Innerhalb der Stapelanordnung sind entweder Unterstapelanordnungen mit einer Anzahl von Zellen oder Zellen in Bezug innerhalb einer Zelllage zueinander in umgekehrter Abfolge angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet.According to the present invention, a stack arrangement for electrochemical energy conversion is proposed, with a number of cells stacked one above the other, wherein the cells each have a membrane to which a cathode and an anode are assigned and polar plates, bipolar plates and/or monopolar plates are arranged between the cells, wherein the electrochemically active surfaces of the cells are divided into several galvanically separated segments. Within the stack arrangement, either sub-stack arrangements with a number of cells or cells are arranged in reverse order with respect to one another within a cell layer and are electrically connected in series.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung von Unterstapelanordnungen oder Zellen in umgekehrter Abfolge, d. h. unterschiedlicher Polarität mit Bezug auf die Anordnung von Plus- und Minuspol kann eine signifikante Erhöhung der Spannung erreicht werden, die durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung dargestellt ist. Insbesondere dann, wenn die die innerhalb der Stapelanordnung gebildeten Unterstapelanordnungen oder die Zellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, lässt sich eine signifikante Erhöhung der Stapelanordnungsspannung bis zu 1,5 kV (Niederspannung) oder mehr (Mittelspannung) erreichen.By arranging sub-stack arrangements or cells in reverse order, i.e. with different polarity with respect to the arrangement of the positive and negative poles, as proposed according to the invention, a significant increase in the voltage can be achieved, which is represented by the stack arrangement proposed according to the invention. In particular, when the sub-stack arrangements or the cells formed within the stack arrangement are electrically connected in series, a significant increase in the stack arrangement voltage of up to 1.5 kV (low voltage) or more (medium voltage) can be achieved.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung sind die Unterstapelanordnungen mit einer Anzahl von Zellen oder Unterzellen auf Zellebene elektrisch in Reihe geschaltet.In an advantageous development of the stack arrangement proposed according to the invention, the sub-stack arrangements with a number of cells or sub-cells are electrically connected in series at the cell level.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung sind beispielsweise die Unterstapelanordnungen über segmentierte Monopolarplatten, die als obere Endplatte und/oder untere Endplatte zum Einsatz kommen, elektrisch in Reihe geschaltet.In an advantageous development of the stack arrangement proposed according to the invention, for example, the sub-stack arrangements are electrically connected in series via segmented monopolar plates, which are used as upper end plates and/or lower end plates.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung im Einsatzbereich der Elektrolyse zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass die Medienversorgung mindestens eine H2O-Versorgung oder -Zuleitung, mindestens eine H2O- und/oder O2-Ausleitung sowie mindestens eine H2-Ausleitung umfasst.The stack arrangement proposed according to the invention in the field of electrolysis is further characterized in that the media supply comprises at least one H 2 O supply or feed line, at least one H 2 O and/or O 2 outlet and at least one H 2 outlet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung sind Medienanschlüsse räumlich vom Anschlussfeld der elektrischen Kontaktierungen der Stapelanordnung mit Minuspol und Pluspol, insbesondere im Bereich der unteren Endplatte der Stapelanordnung dargestellt.In an advantageous development of the stacking arrangement proposed according to the invention, media connections are spatially shown from the connection field of the electrical contacts of the stacking arrangement with negative pole and positive pole, in particular in the area of the lower end plate of the stacking arrangement.

Des Weiteren kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung Medienanschlüsse für Unterstapelanordnungen aufweisen, die außerhalb der Stapelanordnung zur Verbesserung der Isolationseigenschaften zurückgeführt und/oder gesammelt werden. Durch die Anordnung der Unterzellen beziehungsweise Unterstapel in abwechselnder Abfolge kann eine Reduzierung der erforderlichen Stromschienen erreicht werden, da diese Funktion über die Segmentierung der Monopolarplatte beziehungsweise Bipolarplatte übernommen wird. Gleichzeitig erfordert die abwechselnde Anordnung unterschiedliche Medienbereiche innerhalb einer Zelllage. Die erfindungsgemäße Stapelanordnung ermöglicht durch einen räumlichen Versatz der entgegengesetzt gepolten Unterzellen beziehungsweise Unterstapel die Reduzierung der erforderlichen Medienbereiche, beispielsweise auf nur zwei Medienbereiche. Damit geht die Reduzierung der erforderlichen Dichtfläche einher. In einer alternativen Ausführungsmöglichkeit sind mehrere Medienbereiche je Zelllage möglich. Dies kann erfindungsgemäß durch eine Erhöhung der Anzahl der Medienzuleitungen oder -ableitungen erreicht werden, wodurch den erforderlichen Isolationsstrecken Rechnung getragen werden kann.Furthermore, the stack arrangement proposed according to the invention can have media connections for sub-stack arrangements, which are returned and/or collected outside the stack arrangement to improve the insulation properties. By arranging the sub-cells or sub-stacks in an alternating sequence, a reduction in the number of busbars required can be achieved, since this function is taken over by the segmentation of the monopolar plate or bipolar plate. At the same time, the alternating arrangement requires different media areas within a cell layer. The stack arrangement according to the invention enables the required media areas to be reduced, for example to just two media areas, by spatially offsetting the oppositely polarized sub-cells or sub-stacks. This is accompanied by a reduction in the required sealing surface. In an alternative embodiment, several media areas per cell layer are possible. This can be achieved according to the invention by increasing the number of media supply lines or discharge lines, which can take the required insulation distances into account.

Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung aus in umgekehrter Abfolge angeordneten Unterstapelanordnungen und/oder Unterzellen innerhalb einer Stapelordnung eine Reduzierung des Bauaufwands erreicht werden.Furthermore, the stack arrangement proposed according to the invention comprising sub-stack arrangements and/or sub-cells arranged in reverse sequence within a stack arrangement can achieve a reduction in construction costs.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine Zelle zur elektrochemischen Energiewandlung mit einer elektrochemisch aktiven Fläche, wobei die elektrochemisch aktive Fläche in mehrere galvanisch voneinander getrennte Segmente unterteilt ist. Aus derartigen, bevorzugt als Blechbauteile hergestellten Zellen kann in vorteilhafter Weise in entsprechender Höhe beziehungsweise räumlichen Anforderungen Rechnung tragend die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung aufgebaut sein.The invention further relates to a cell for electrochemical energy conversion with an electrochemically active surface, wherein the electrochemically active surface is divided into several galvanically separated segments. The stack arrangement proposed according to the invention can advantageously be constructed from such cells, preferably manufactured as sheet metal components, in a corresponding height or taking into account spatial requirements.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung ist die elektrochemisch aktive Fläche der Zellen in der Membran in mehrere beliebig konfigurierte Segmente in eindimensionaler Aufteilung beispielsweise in mindestens ein Segment, oder bei mehrdimensionaler Aufteilung in mindestens zwei Segmente unterteilt. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung von Unterstapelanordnungen in umgekehrter Abfolge beziehungsweise durch eine Anordnung einzelner Zellen in umgekehrter Abfolge ein mäanderförmiger Stromverlauf, beispielsweise von der Oberseite an die Unterseite oder ein liegender oder sich spiralförmig erstreckender Stromverlauf innerhalb der Stapelanordnung erreicht werden. Dadurch kann die elektrische Wegstrecke innerhalb der Stapelanordnung minimiert werden, ebenso wie die parasitären Verluste.In a further advantageous embodiment of the stack arrangement proposed according to the invention, the electrochemically active surface of the cells in the membrane is divided into several arbitrarily configured segments in a one-dimensional division, for example into at least one segment, or in a multi-dimensional division into at least two segments. Furthermore, the solution proposed according to the invention can be used for sub-stack arrangements in the reverse sequence or by arranging individual cells in reverse order, a meandering current path can be achieved, for example from the top to the bottom or a horizontal or spirally extending current path within the stack arrangement. This allows the electrical path within the stack arrangement to be minimized, as well as the parasitic losses.

In weiterer vorteilhafter Weise können bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung auf Ebene der Zellen Unterzellen gebildet werden, welche umgekehrt gestapelte Zellenabschnitte aufweisen. Dabei ergibt sich eine geringere Spannungsdifferenz der Unterzellen innerhalb einer Zellebene und zur benachbarten Zellebene. Die elektrische Verbindung erfolgt nur zwischen jeweils zwei Unterzellen, ohne die Notwendigkeit externer Stromschienen, sondern beispielsweise lediglich durch Isolieren der Bereiche der Mono- und/oder Bipolarplatten. Somit ergibt sich auch eine vereinfachte Montage der Stapelanordnung durch eine reduzierte Bauteil- beziehungsweise Komponentenanzahl. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung kann in vorteilhafter Weise Unterzellen umfassen, die über segmentierte Polarplatten elektrisch kontaktiert beziehungsweise in Reihe geschaltet sein können. In vorteilhafter Weise findet eine Zelle für elektrochemische Energiewandlung mit einer elektrochemisch aktiven Fläche Verwendung, wobei die elektrochemisch aktive Fläche in mehrere galvanisch voneinander getrennte Segmente unterteilt ist. Diese beliebig geformten Segmente können in eindimensionaler Aufteilung ein bis vier Segmente oder in mehrdimensionaler Aufteilung mindestens zwei Segmente umfassen, wobei die Segmente die gleiche elektrochemisch aktive Fläche oder annähernd die gleiche elektrochemisch aktive Fläche aufweisen.In a further advantageous manner, in the stack arrangement proposed according to the invention, sub-cells can be formed at the cell level, which have inverted stacked cell sections. This results in a smaller voltage difference between the sub-cells within a cell level and to the adjacent cell level. The electrical connection is only made between two sub-cells at a time, without the need for external busbars, but for example only by insulating the areas of the mono- and/or bipolar plates. This also results in simplified assembly of the stack arrangement due to a reduced number of parts or components. The stack arrangement proposed according to the invention can advantageously comprise sub-cells that can be electrically contacted via segmented polar plates or connected in series. A cell for electrochemical energy conversion with an electrochemically active surface is advantageously used, wherein the electrochemically active surface is divided into several galvanically separated segments. These arbitrarily shaped segments can comprise one to four segments in a one-dimensional division or at least two segments in a multi-dimensional division, wherein the segments have the same electrochemically active surface or approximately the same electrochemically active surface.

Eine galvanische Trennung der Segmente erfolgt durch eine galvanische Unterteilung zwischen benachbarten Kathodenfunktionsflächen oder Anodenfunktionsflächen sowie porösen Transportschichten oder Gasdiffusionslagen. Die galvanische Unterteilung kann auf Ebene der Anodenfunktionsfläche und/oder der Kathodenfunktionsfläche durch eine Unterbrechung der Beschichtung und/oder eine Passivierung erfolgen. Des Weiteren kann die galvanische Unterteilung auf Ebene der porösen Medientransportlagen, nämlich der Gasdiffusionslage und/oder der porösen Transportlage durch eine elektrisch isolierende Zwischenlage beziehungsweise poröse Stabilisationsschicht gegeben sein. Die elektrisch isolierende Zwischenlage stabilisiert die Membran der Zellen, kann passivierten Carbonschaum umfassen oder als mindestens ein Kunststoffbauteil mit integriertem Flowfield ausgeführt sein.The segments are galvanically separated by a galvanic subdivision between adjacent cathode functional surfaces or anode functional surfaces and porous transport layers or gas diffusion layers. The galvanic subdivision can be carried out at the level of the anode functional surface and/or the cathode functional surface by interrupting the coating and/or passivation. Furthermore, the galvanic subdivision at the level of the porous media transport layers, namely the gas diffusion layer and/or the porous transport layer, can be provided by an electrically insulating intermediate layer or porous stabilization layer. The electrically insulating intermediate layer stabilizes the membrane of the cells, can comprise passivated carbon foam or can be designed as at least one plastic component with an integrated flow field.

Die galvanische Trennung kann auf der Polarplatte, gebildet durch Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten durch ein IMS (Isolated Metal Substrate)-Verfahren und/oder eine örtliche Passivierung des Materials der Polarplatte, zum Beispiel der Monopolarplatte und/oder der Bipolarplatte erfolgen. Im Bereich einer Zelllage können unterschiedliche Medienbereiche vorhanden sein.The galvanic separation can take place on the polar plate, formed by monopolar plates and/or bipolar plates, using an IMS (Isolated Metal Substrate) process and/or a local passivation of the material of the polar plate, for example the monopolar plate and/or the bipolar plate. Different media areas can be present in the area of a cell layer.

Die mindestens eine Stapelanordnung kann Unterstapel umfassen, die aus mindestens zwei Segmenten gebildet sind, die entweder auf Ebene der mindestens einen Stapelanordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind oder als Reihenschaltung aller Segmente pro Zelle elektrisch verschaltet sind. Durch einen räumlichen Versatz beziehungsweise abwechselnde Positionierung der Unterzellen beziehungsweise der Unterstapel in den mindestens zwei verschiedenen Medienbereichen teilen sich die Unterzellen beziehungsweise die Unterstapel die erforderlichen Medienanschlüsse.The at least one stack arrangement can comprise sub-stacks that are formed from at least two segments that are either electrically connected in series at the level of the at least one stack arrangement or are electrically connected as a series connection of all segments per cell. By spatially offsetting or alternating positioning of the sub-cells or the sub-stacks in the at least two different media areas, the sub-cells or the sub-stacks share the required media connections.

Die Medienversorgung ist räumlich vom Anschlussfeld der Stapelanordnung mit Minuspol und Pluspol getrennt angeordnet.The media supply is spatially separated from the connection field of the stack arrangement with negative pole and positive pole.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Stapelanordnung in elektrochemischen Systemen zur Herstellung von Wasserstoff in einer Elektrolyseeinrichtung oder einer Brennstoffzelle zur Umwandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom. Eine weitere Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung liegt in Umwandlung von gasförmigen und/oder flüssigen Medien in elektrischen Strom. Eine weitere Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung liegt in ihrem Einsatz in Redox-Flow-Systemen zur Zwischenspeicherung von elektrischem Strom, insbesondere Nasszellen von Vanadium-Redox-Flow-Batterien, Zink-Brom-Akkumulatoren, Polysulfit-Bromit-Akkumulatoren, NICD-Akkumulatoren sowie Ligninbatterien.Furthermore, the invention relates to the use of the stack arrangement in electrochemical systems for producing hydrogen in an electrolysis device or a fuel cell for converting hydrogen into electrical current. A further use of the stack arrangement proposed according to the invention is in converting gaseous and/or liquid media into electrical current. A further use of the stack arrangement proposed according to the invention is in its use in redox flow systems for temporarily storing electrical current, in particular wet cells of vanadium redox flow batteries, zinc-bromine accumulators, polysulfite-bromite accumulators, NICD accumulators and lignin batteries.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung kann eine Vervielfachung der Stapelanordnungsspannung, d. h. der Spannung erreicht werden, welche durch die Stapelanordnung geliefert werden kann. Innerhalb der mindestens einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung erfolgt eine Aufteilung in mehrere, bevorzugt eine x · y Anzahl von Unterstapeln, deren Ausgestaltung eindimensional oder mehrdimensional möglich ist. Die einzelnen Unterstapel beziehungsweise Unterzellen sind untereinander wiederum in Reihe geschaltet, so dass sich das Spannungsniveau, welches die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung liefert, um den Faktor x · y erhöht.The stack arrangement proposed according to the invention makes it possible to multiply the stack arrangement voltage, i.e. the voltage that can be delivered by the stack arrangement. Within the at least one stack arrangement proposed according to the invention, a division into several, preferably an x · y number of sub-stacks takes place, the design of which can be one-dimensional or multi-dimensional. The individual sub-stacks or sub-cells are in turn connected in series with one another, so that the voltage level delivered by the stack arrangement proposed according to the invention is increased by a factor of x · y.

Durch die abwechselnde Abfolge der Unterzellen beziehungsweise Unterstapel sind unterschiedliche Medien bei benachbarten Unterzellen oder Unterstapeln erforderlich. Die Ausgestaltung der einzelnen Medienbereiche sowie die Abdichtung der Medienbereiche gegeneinander innerhalb einer Ebene können optimiert und hinsichtlich ihrer Anzahl reduziert werden.Due to the alternating sequence of sub-cells or sub-stacks, different media are required for adjacent sub-cells or sub-stacks. The design of the individual media areas and the sealing of the media areas against each other within a level can be optimized and their number reduced.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stapelanordnung kann eine elektrische Reihenschaltung mehrerer Unterzellen innerhalb einer Zelllage der Stapelanordnung sowie mehrerer Unterstapelanordnungen (Substacks) innerhalb einer Stapelanordnung erreicht werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine signifikante Erhöhung der mit einer herkömmlichen Stapelanordnung erreichbaren Stapelspannung jenseits der üblicherweise erreichbaren 600 Volt, unter Beibehaltung einer Maximalanzahl von Zellen pro Stapelanordnung erreicht werden. Im Allgemeinen ist die Maximalanzahl an Zellen pro Stapelanordnung durch die Toleranzen beim Stapeln und deren Flächen- zu Höhenverhältnis bedingt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Veränderung des Verhältnisses von Strom zu Spannung pro Stapelanordnung zugunsten einer höheren Spannung hin erreicht werden, welche meist günstiger für die Anbindung an die Elektrik und insbesondere an die Leistungselektronik ist. Damit wird eine verbesserte Anbindung der mindestens einen Stapelanordnung an die Leistungselektronik einschließlich einer günstigeren (da im Querschnitt verringerten) Verkabelung erreicht. Eine höhere Spannung auf Ebene der Stapelanordnung ermöglicht in einem Elektrolysesystem, zum Beispiel bei einer Parallelverschaltung mehrerer dieser Stapelanordnungen in einem größer ausgelegten Gesamtsystem bei Verwendung von (automatischen) Trennvorrichtungen je Stapelanordnung, eine höhere Verfügbarkeit durch die Möglichkeit, einzelne Stapelanordnungen zu isolieren. Dies kann beispielsweise aufgrund eines aufgetretenen Defekts und/oder während Wartungs- und Reparaturarbeiten der Fall sein. In diesem Fall besteht nicht mehr die Notwendigkeit, das Gesamtsystem herunterzufahren. Durch den Wegfall wird lediglich der Gesamtstrom innerhalb des Systems reduziert, der üblicherweise insbesondere im Beispiel von PEM-Elektrolyseuren durch die Leistungselektronik hochdynamisch regelbar ist.The stack arrangement proposed according to the invention can be used to achieve an electrical series connection of several sub-cells within a cell layer of the stack arrangement and several sub-stack arrangements (substacks) within a stack arrangement. The solution proposed according to the invention can achieve a significant increase in the stack voltage that can be achieved with a conventional stack arrangement beyond the usually achievable 600 volts, while maintaining a maximum number of cells per stack arrangement. In general, the maximum number of cells per stack arrangement is determined by the tolerances during stacking and their area to height ratio. The solution proposed according to the invention can be used to change the ratio of current to voltage per stack arrangement in favor of a higher voltage, which is usually more favorable for the connection to the electrical system and in particular to the power electronics. This achieves an improved connection of the at least one stack arrangement to the power electronics, including more favorable cabling (because the cross-section is reduced). A higher voltage at the stack level enables higher availability in an electrolysis system, for example when several of these stacks are connected in parallel in a larger overall system using (automatic) isolating devices for each stack, by making it possible to isolate individual stacks. This can be the case, for example, due to a defect that has occurred and/or during maintenance and repair work. In this case, there is no longer any need to shut down the entire system. This only reduces the total current within the system, which can usually be controlled very dynamically by the power electronics, particularly in the case of PEM electrolyzers.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ein Beitrag zur Verbesserung der Prozessketteneffizienz durch Ermöglichung eines höheren Spannungsniveaus geleistet werden, mit einer möglichen direkten Anbindung an Mittelspannungsgleichstromsysteme, die auf einem Spannungsniveau von zum Beispiel 10 kV betrieben werden. In einer derartigen Prozesskette kann das verlustbehaftete Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom und nach dem Transport wieder von Wechselstrom in Gleichstrom reduziert, durch vereinfachte DC/DC-Wandlung optimiert oder ganz darauf verzichtet werden. Dies ist insbesondere bei gleichstromerzeugenden erneuerbaren Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaik, vorteilhaft sowie zur Gestehung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien.The solution proposed according to the invention can contribute to improving process chain efficiency by enabling a higher voltage level, with a possible direct connection to medium-voltage direct current systems that operate at a voltage level of, for example, 10 kV. In such a process chain, the lossy conversion of direct current into alternating current and, after transport, from alternating current back into direct current can be reduced, optimized by simplified DC/DC conversion, or dispensed with entirely. This is particularly advantageous for renewable energy sources that generate direct current, such as photovoltaics, and for the production of green hydrogen from renewable energies.

Gegenüber einer Reihenschaltung mehrerer Stapelanordnungen (Stacks) bietet die Erfindung den schlagenden Vorteil, dass nur einmalig die Endplatten sowie die Medienanschlüsse und dünnere Anschlussquerschnitte der Stromversorgung bereitzustellen sind. Auf dem Niveau der Zellebene lässt sich zudem ein besseres Verhältnis der aktiven Fläche zur Gesamtfläche sowie eine Reduzierung der erforderlichen Dichtfläche erreichen. Dies gilt im Vergleich zur Reihenschaltung mehrerer Stapelordnungen, bei der jede Stapelanordnung die in der Regel seitlich verlaufenden Medienkanäle erfordert sowie entsprechende Dichtungselemente. Somit erhöht sich bei gleichbleibender Komponentenzahl (Zahl der elektrisch in Reihe geschalteten Zellen oder Unterstapelanordnungen) die Systemspannung.Compared to a series connection of several stack arrangements (stacks), the invention offers the decisive advantage that the end plates, media connections and thinner connection cross-sections of the power supply only need to be provided once. At the cell level, a better ratio of the active area to the total area and a reduction in the required sealing area can also be achieved. This applies in comparison to the series connection of several stack arrangements, in which each stack arrangement requires the media channels that usually run laterally and corresponding sealing elements. The system voltage thus increases while the number of components (number of cells or sub-stack arrangements connected electrically in series) remains the same.

Eine höhere Spannung auf Stack-Ebene ermöglicht in einer Elektrolyseeinrichtung bei Parallelverschaltung von mehreren dieser Stapelanordnungen in einem großen Gesamtsystem bei Verwendung von (automatischen) Trennvorrichtungen je Stapelanordnung eine höhere Verfügbarkeit aufgrund der Möglichkeit, einzelne Stapel zu isolieren. Dies kann erforderlich sein aufgrund eines Defekts und/oder während Wartungs- und Reparaturarbeiten, ohne dass die Notwendigkeit besteht, das Gesamtsystem herunterzufahren. Durch den Wegfall wird lediglich der Gesamtstrom innerhalb des Systems reduziert, der üblicherweise insbesondere im Beispiel von PEM-Elektrolyseuren durch die Leistungselektronik hochdynamisch regelbar ist.A higher voltage at stack level enables higher availability in an electrolysis facility when several of these stack arrangements are connected in parallel in a large overall system using (automatic) isolating devices for each stack arrangement due to the possibility of isolating individual stacks. This may be necessary due to a defect and/or during maintenance and repair work without the need to shut down the entire system. The elimination only reduces the total current within the system, which can usually be controlled highly dynamically by the power electronics, particularly in the example of PEM electrolyzers.

Durch die Ausgestaltung derart, dass das Stapeln einer erfindungsgemäßen Stapelanordnung sehr nahe am Ablauf eines Stand-der-Technik-Stacks liegt, ergibt sich die Möglichkeit, bei ähnlichen Fertigungskosten eine höhere Spannung zu erreichen. Es ist weiterhin denkbar, dass die Fläche der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stapelanordnung sich gegenüber dem Stand der Technik vergrößert und dies bei einer gleichbleibenden Anzahl von Arbeitsschritten. Damit lässt sich eine Kostenreduktion erzielen. Bei Stand-der-Technik-Stapelanordnungen führt hingegen eine Vergrößerung der Stack-Fläche zu einer Zunahme des Stroms bei proportional steigender Leistung, d. h. das Verhältnis Strom zu Spannung verschlechtert sich, was sich negativ auf die Leistungsverluste auswirkt.By designing the stacking of a stack arrangement according to the invention in such a way that it is very similar to the process of a prior art stack, it is possible to achieve a higher voltage at similar manufacturing costs. It is also conceivable that the area of the stack arrangement proposed according to the invention is larger than in the prior art, while the number of work steps remains the same. This makes it possible to reduce costs. In the case of prior art stack arrangements, however, an increase in the stack area leads to an increase in current with a proportional increase in power, i.e. the current to voltage ratio deteriorates, which has a negative effect on power losses.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 den Aufbau einer Stapelanordnung einer Elektrolyseeinrichtung mit ihren wesentlichen Komponenten in Seitenansicht,
  • 2 eine Draufsicht auf die mindestens eine Stapelanordnung einer Elektrolyseeinrichtung gemäß 1,
  • 3 eine Segmentierung eines elektrochemisch aktiven Teils in beispielsweise sechs Segmente mit versetzter Verschaltung,
  • 4 umgekehrt gestapelte Zellenabschnitte mit Darstellung der Dichtung für zwei verschiedene Medienbereiche auf einer Zellebene,
  • 5, 6, 7 Ausführungsvarianten von Unterstapelanordnungen,
  • 8 eine weitere Ausführungsvariante einer Zellanordnung auf Zellebene mit sieben Segmenten und einem zentralen Medienkanal,
  • 9 einen Querschnitt durch die Zellanordnung gemäß 8,
  • 10 eine Stapelanordnung, bei der eine Anzahl von Unterstapelanordnungen in umgekehrter Orientierung zueinander in einer Stapelanordnung aufgenommen ist, mit einer getrennten Medienversorgung sowie in elektrischer Verschaltung,
They show:
  • 1 the structure of a stack arrangement of an electrolysis device with its essential components in side view,
  • 2 a plan view of the at least one stack arrangement of an electrolysis device according to 1 ,
  • 3 a segmentation of an electrochemically active part into, for example, six segments with staggered wiring,
  • 4 inverted stacked cell sections showing the seal for two different media areas on one cell level,
  • 5 , 6 , 7 Design variants of sub-stack arrangements,
  • 8 another variant of a cell arrangement at cell level with seven segments and a central media channel,
  • 9 a cross section through the cell arrangement according to 8 ,
  • 10 a stacking arrangement in which a number of sub-stack arrangements are accommodated in a stacking arrangement in reverse orientation to each other, with a separate media supply and in electrical interconnection,

1 zeigt eine Stapelanordnung 12 einer Elektrolyseeinrichtung 10. In der in 1 schematisch dargestellten Stapelanordnung 12 sind eine Vielzahl einzelner Zellen 14 übereinanderliegend angeordnet. Die einzelnen Zellen 14 umfassen jeweils eine Membran 16, die eine elektrochemisch aktive Fläche 18 umfasst, wo die elektrochemische Reaktion stattfindet. Beidseits der Membran 16 befinden sich eine Kathodenfunktionsfläche 20 sowie eine Anodenfunktionsfläche 22. Die jeweils beidseitig mit Elektroden beschichtete Fläche nimmt als elektrochemisch aktive Fläche 18 an der elektrochemischen Reaktion teil. Für die elektrochemische Wandlung von H2O zu H2 und O2 ist einerseits eine Medienversorgung 36, insbesondere eine H2O-Medienversorgung erforderlich, ferner ist eine Stromverbindung und eine Medienabführung erforderlich. In dem Bereich, in dem dies erfüllt ist, findet die chemische Reaktion selbst statt, insbesondere auf der elektrochemisch aktiven Fläche 18. Bei der Membran 16 handelt es sich mithin um eine CCM-Membran (Catalyst Coated Membrane). Aus der Darstellung gemäß 1, die nur einen Ausschnitt der Stapelanordnung 12 wiedergibt, geht hervor, dass die einzelnen Zellen 14 jeweils durch Bipolarplatten 24 voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatten 24 können entweder einzelne Bauteile sein oder eine Bipolarplatte 24 kann sich aus einem Paar von Monopolarplatten 48 zusammensetzen, die gegebenenfalls - abhängig von der Ausführungsvariante - durch eine Passivierungsschicht elektrisch gegeneinander (teil-)isoliert sind. 1 shows a stack arrangement 12 of an electrolysis device 10. In the 1 A large number of individual cells 14 are arranged one above the other in the schematically illustrated stack arrangement 12. The individual cells 14 each comprise a membrane 16 which comprises an electrochemically active surface 18 where the electrochemical reaction takes place. On both sides of the membrane 16 there is a cathode functional surface 20 and an anode functional surface 22. The surface coated with electrodes on both sides takes part in the electrochemical reaction as an electrochemically active surface 18. For the electrochemical conversion of H 2 O to H 2 and O 2 , a media supply 36, in particular an H 2 O media supply, is required on the one hand, and a power connection and a media discharge are also required. In the area in which this is fulfilled, the chemical reaction itself takes place, in particular on the electrochemically active surface 18. The membrane 16 is therefore a CCM membrane (catalyst coated membrane). From the illustration according to 1 , which only shows a section of the stack arrangement 12, it can be seen that the individual cells 14 are each separated from one another by bipolar plates 24. The bipolar plates 24 can either be individual components or a bipolar plate 24 can be composed of a pair of monopolar plates 48, which may be (partially) electrically insulated from one another by a passivation layer, depending on the design variant.

Die in 1 schematisch wiedergegebene Stapelanordnung 12 umfasst eine obere Endplatte 26 sowie eine zweite, untere Endplatte 28. Die Endplatten 26, 28 können auch als Monopolarplatten 48 ausgeführt sein.The 1 The schematically shown stack arrangement 12 comprises an upper end plate 26 and a second, lower end plate 28. The end plates 26, 28 can also be designed as monopolar plates 48.

Die einzelnen Membranen 16 mit Kathodenfunktionsfläche 20 und Anodenfunktionsfläche 22 können des Weiteren mit mindestens einer Gasdiffusionslage 50 und/oder eine porösen Stabilisationsschicht 88 ausgestattet sein, wie in 1 angedeutet. Deren jeweilige Ausgestaltung, insbesondere die Porosität können unterschiedlich sein. Die Stapelanordnung 12 gemäß 1 ist in einer Stapelhöhe 30 ausgeführt. Entsprechend der Stapelhöhe 30 ist eine Anzahl von einzelnen Zellen 14 übereinandergestapelt. Pro Zelle 14 ist eine Spannung zwischen 1,5 Volt bis 2,3 Volt erforderlich. Die Spannung, die die in 1 dargestellte Stapelanordnung 12 erfordert, hängt mithin von der Anzahl der entsprechend der Stapelhöhe 30 übereinandergestapelten einzelnen Zellen 14 ab. Die Stapelhöhe 30 kann sich durch eine Vorgabe der Höhe oder durch eine Limitierung der Anzahl der Zellen 14 ergeben sowie durch mechanische oder prozesstechnische Limitierungen.The individual membranes 16 with cathode functional surface 20 and anode functional surface 22 can further be equipped with at least one gas diffusion layer 50 and/or a porous stabilization layer 88, as in 1 Their respective design, in particular the porosity, can be different. The stack arrangement 12 according to 1 is designed in a stack height of 30. According to the stack height of 30, a number of individual cells 14 are stacked on top of each other. A voltage of between 1.5 volts and 2.3 volts is required per cell 14. The voltage that the 1 The required stacking arrangement 12 depends on the number of individual cells 14 stacked on top of one another in accordance with the stacking height 30. The stacking height 30 can result from a specification of the height or from a limitation of the number of cells 14 as well as from mechanical or process-related limitations.

Beidseits der Membran 16 befinden sich Dichtungen beziehungsweise Rahmen 32 Häufig werden die Dichtungs- und die Rahmenfunktion durch ein und dasselbe Bauteil verwirklicht.Seals or frames 32 are located on both sides of the membrane 16. The sealing and frame functions are often realized by one and the same component.

Aus der Draufsicht gemäß 2 geht hervor, dass anodenseitig eine Dichtlinie 38 verläuft, während kathodenseitig eine zweite Dichtlinie 40 ausgeführt ist. Beide Dichtlinien 38, 40 umgeben die hier ungeteilte elektrochemisch aktive Fläche 18. In der Draufsicht gemäß 2 sind innerhalb der Stapelanordnung 12 beziehungsweise der in der Draufsicht dargestellten Zelle 14 Medienanschlüsse 36 mit einer H2O-Zuleitung 42 am Anodeneintritt vorgesehen, während am Anodenaustritt eine (H2O-, O2-)Ausleitung 44 vorgesehen ist. Die (H2-)Ausleitung (gegebenenfalls mit H2O) am Kathodenaustritt ist mit Bezugszeichen 46 bezeichnet. Im Fall einer Brennstoffzelle kehren sich die Medienrichtungen entsprechend um.From the top view according to 2 It can be seen that a sealing line 38 runs on the anode side, while a second sealing line 40 is provided on the cathode side. Both sealing lines 38, 40 surround the electrochemically active surface 18, which is undivided here. In the plan view according to 2 Within the stack arrangement 12 or the cell 14 shown in the top view, media connections 36 with an H 2 O supply line 42 are provided at the anode inlet, while an (H 2 O, O 2 ) outlet 44 is provided at the anode outlet. The (H 2 ) outlet (possibly with H 2 O) at the cathode outlet is designated with reference number 46. In the case of a fuel cell, the media directions are reversed accordingly.

Die in den 1 und 2 dargestellte Stapelanordnung 12 weist mithin einen von der Dichtung 32 beziehungsweise einem Rahmen umschlossene, ungeteilte elektrochemisch aktive Fläche 18 auf.The 1 and 2 The stack arrangement 12 shown therefore has a seal 32 or a frame enclosed, undivided electrochemically active surface 18.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, identical or similar elements are designated by identical reference numerals, whereby a repeated description of these elements is omitted in individual cases. The figures only represent the subject matter of the invention schematically.

Um einerseits einen gute Anlage innerhalb der mindestens einen Stapelanordnung 12 zu ermöglichen und gleichzeitig die richtige Medienversorgung 36 sicherzustellen wird, wie in 3 dargestellt, beispielsweise die elektrochemisch aktive Fläche 18 jeder einzelnen Zelle 14 derart unterteilt, dass sich gemäß 3 beispielsweise sechs Segmente (62, 64, 66, ..) ausbilden. In der Draufsicht gemäß 3 ist dargestellt, dass die elektrochemisch aktive Fläche 18 der Zelle 14 sechs Segmente (62, 64, 66, ..) aufweist, wobei jeweils drei übereinanderliegende Segmente von der Dichtlinie 40 (Kathode) umschlossen sind und drei weitere der Segmente von der Dichtlinie 38 (Anode). Über als Stromschienen auf Zellebene 110 dienende Monopolarplatten 48 beispielsweise sind in der Draufsicht gemäß 3 die Segmente 62, 64, 66 miteinander verbunden, wobei das zweite Segment 64 zu dem ersten Segment 62 und dem dritten Segment 66 seitlich versetzt ist. 3 zeigt des Weiteren, dass die drei Segmente 62, 64, 66, das versetzt angeordnete zweite Segment 64 umfassend, jeweils über als Monopolarplatten 48 ausgebildete Stromschienen 110 elektrisch in Reihenschaltung kontaktiert sind. Die Medienversorgung 36 umfasst hier die H2O-Zuleitung 42, die H2O-, O2-Ausleitung 44 sowie eine H2-Ausleitung 46. 4 zeigt umgekehrt gestapelte Zellenabschnitte mit Dichtungen für zwei verschiedene Medienbereiche auf einer Zellebene.In order to enable a good installation within the at least one stack arrangement 12 and at the same time to ensure the correct media supply 36, as in 3 For example, the electrochemically active surface 18 of each individual cell 14 is divided in such a way that according to 3 For example, six segments (62, 64, 66, ..) can be formed. In the top view according to 3 It is shown that the electrochemically active surface 18 of the cell 14 has six segments (62, 64, 66, ..), whereby three segments lying one above the other are enclosed by the sealing line 40 (cathode) and three more of the segments are enclosed by the sealing line 38 (anode). For example, monopolar plates 48 serving as busbars at cell level 110 are shown in the plan view according to 3 the segments 62, 64, 66 are connected to one another, wherein the second segment 64 is laterally offset from the first segment 62 and the third segment 66. 3 shows further that the three segments 62, 64, 66, including the offset second segment 64, are each electrically connected in series via busbars 110 designed as monopolar plates 48. The media supply 36 here comprises the H 2 O supply line 42, the H 2 O, O 2 outlet 44 and an H 2 outlet 46. 4 shows inverted stacked cell sections with seals for two different media areas on one cell level.

4 ist zu entnehmen, dass die Zelle 14 Dichtungsstrukturen aufweist, welche die einzelnen Gasräume innerhalb der Zelle 14 voneinander trennen. In umgekehrter Abfolge 105 sind in der Darstellung gemäß 4 beispielsweise auf der Membran 16 Kathodenfunktionsflächen 20 und Anodenfunktionsflächen 22 angeordnet. Die Zelle 14 gemäß der Darstellung in 4 kann durch die schematisch angedeutete untere Endplatte 28 samt galvanischer Trennung 60 sowie an der Oberseite entweder durch eine Bipolarplatte 24 oder eine Monopolarplatte 48 begrenzt sein. Die Dichtungsstrukturen gemäß der Darstellung in 4 fallen mit der galvanischen Trennung 60 zusammen, Minus- und Pluspole sind hier ebenfalls in umgekehrter Abfolge 105 durch die Bezugszeichen 70 und 72 kenntlich gemacht. 4 it can be seen that the cell 14 has sealing structures which separate the individual gas spaces within the cell 14 from each other. In reverse order 105, in the illustration according to 4 For example, cathode functional surfaces 20 and anode functional surfaces 22 are arranged on the membrane 16. The cell 14 as shown in 4 can be limited by the schematically indicated lower end plate 28 including galvanic isolation 60 and on the upper side either by a bipolar plate 24 or a monopolar plate 48. The sealing structures as shown in 4 coincide with the galvanic isolation 60, negative and positive poles are also identified here in reverse order 105 by the reference numerals 70 and 72.

5, 6 und 7 zeigen Ausführungsvarianten von Unterzellenanordnungen mit jeweils beispielhaft zwei mal drei Segmenten mit abwechselnder Anordnung benachbarter Segmente oder Unterzellen, die jeweils in unterschiedlichen Segmentierungsschemata beziehungsweise Reihenschaltungskonzepten ausgeführt sind. 5 , 6 and 7 show design variants of sub-cell arrangements, each with, for example, two by three segments with alternating arrangement of adjacent segments or sub-cells, each of which is designed in different segmentation schemes or series connection concepts.

5 zeigt eine Anordnung von Segmenten, hier Ziffern 1, 2 und 3 sowie A, B und C, die in zwei unterschiedlichen Medienbereichen angeordnet sind. Aus 6 geht hervor, dass die Segmente 1, 2 und 3 sowie A, B und C jeweils zu Unterstapelanordnungen innerhalb einer Stapelanordnung 12 zusammengefasst sein können. Es können demnach die dargestellten Segmentierungsschemata aus jeweils drei Segmenten zu zwei Unterstapelanordnungen zusammengefasst werden, wobei jeweils zwei Segmente oder Unterzellen in einem Medienbereich und das jeweils dritte Segment im jeweils anderen Medienbereich angeordnet sind (umgekehrte Abfolge 105). Es ist möglich, eine Reihenschaltung als Unterstapel aus drei Segmenten für die Stapelanordnung 12 auszuführen und/oder die elektrische Reihenschaltung der Segmente 1, 2 und 3 sowie A, B und C bereits auf Zellebene 111 umzusetzen. Die 6 und 7 zeigen unterschiedliche Ausführungen zur Anordnung beziehungsweise zur umgekehrten Abfolge 105 der abwechselnden Anordnung der sechs Segmente in den beiden Medienbereichen, die unterschiedliche Ausführungen der elektrischen Verbindung ermöglichen. Den 6 und 7 ist zu entnehmen, dass in diesen Segmentierungsschemata die Segmente 1 bis 6 jeweils mit Stromschienen 110 verbunden sind und des Weiteren die obenliegende und die untenliegende Zelleebene 126, 128 mit einer Stromschiene 110 in Reihe geschaltet sind. In 7 sind einander gegenüberliegende Zellen 14 durch die Stromschienen 110 miteinander verbunden, während im Segmentierungsschema gemäß 7 in der zuoberst liegenden Zellebene 126 und der zuunterst liegenden Zellebene 128 eine Überkreuzverbindung jeweils der Segmente 4 und 5 und 2 und 3 vorliegen. 5 shows an arrangement of segments, here numbers 1, 2 and 3 as well as A, B and C, which are arranged in two different media areas. From 6 It is clear that segments 1, 2 and 3 as well as A, B and C can each be combined to form sub-stack arrangements within a stack arrangement 12. The illustrated segmentation schemes of three segments each can therefore be combined to form two sub-stack arrangements, with two segments or sub-cells being arranged in one media area and the third segment in the other media area (reverse sequence 105). It is possible to implement a series connection as a sub-stack of three segments for the stack arrangement 12 and/or to implement the electrical series connection of segments 1, 2 and 3 as well as A, B and C at cell level 111. The 6 and 7 show different designs for the arrangement or the reverse sequence 105 of the alternating arrangement of the six segments in the two media areas, which enable different designs of the electrical connection. 6 and 7 It can be seen that in these segmentation schemes, segments 1 to 6 are each connected to busbars 110 and, furthermore, the upper and lower cell levels 126, 128 are connected in series with a busbar 110. In 7 opposing cells 14 are connected to each other by the busbars 110, while in the segmentation scheme according to 7 In the uppermost cell level 126 and the lowermost cell level 128 there is a cross-connection of segments 4 and 5 and 2 and 3.

Durch die Darstellung von jeweils zwei Zellebenen 126, 128 (vgl. 9) werden auch die unterschiedlichen elektrischen Verbindungen zwischen der ersten Zellebene 126 und der zweiten Zellebene 128 beispielhaft dargestellt, die bei benachbarten Zellebenen immer gleich sein können (vgl. 6) oder sich zwischen benachbarten Zellebenen abwechseln (vgl. 7). In den 5, 6, und 7 sind Unterstapelstromschienen mit Bezugszeichen 80 bezeichnet.By displaying two cell levels 126, 128 (cf. 9 ) also shows the different electrical connections between the first cell level 126 and the second cell level 128 as examples, which can always be the same for adjacent cell levels (cf. 6 ) or alternate between neighboring cell levels (cf. 7 ). In the 5 , 6 , and 7 Understack busbars are designated with reference number 80.

8 zeigt ein mögliches Segmentierungsschema für eine Zellanordnung 112 in der Zellebene 111. Gemäß diesem Segmentierungsschema umfasst die Zellanordnung 112 sieben Unterzellen 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, die allesamt eine im Wesentlichen dreieckförmige Kontur 114 aufweisen. Demnach entspricht die Außenkontur 116 der Zellanordnung 112 gemäß 8 im Wesentlichen einer angenäherten Kreisform. Mit Position 42 sind H2O-Medienkanäle als Zuleitung bezeichnet, die Medien/(O2-)Ableitungen werden mit Bezugszeichen 118 bezeichnet. Die Kanäle sind idealerweise jeweils funktionsgemäß austauschbar ausgelegt. An ihren Außenseiten umfassen die in Dreieckkontur 114 ausgeführten Unterzellen 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 jeweils besagte H2O-Medienkanäle 118, während Bezugszeichen 120 H2-Ausleitungen bezeichnet. 8 shows a possible segmentation scheme for a cell arrangement 112 in the cell plane 111. According to this segmentation scheme, the cell arrangement 112 comprises seven subcells 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, all of which have a substantially triangular contour 114. Accordingly, the outer contour 116 of the cell arrangement 112 corresponds to 8 essentially an approximate circular shape. Position 42 designates H 2 O media channels as supply lines, the media/(O 2 ) discharge lines are designated with reference numeral 118. The channels are ideally designed to be functionally interchangeable. On their outer sides, the sub-cells 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, which are designed in a triangular contour 114, each comprise said H 2 O media channels 118, while reference numeral 120 designates H 2 discharge lines.

Eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Unterzellen 92 bis 104 gemäß der Zellanordnung 112 in der Darstellung in 8 erfolgt an deren Oberseite 122 sowie an deren Unterseite 124. Über die Unterseite 124 der Unterzelle 92 beispielsweise lässt sich dabei die Verbindung zur darunterliegenden Zellebene und/oder einer unteren Endplatte 28 herstellen. Über die Oberseite 122 kann der elektrische Kontakt zur darüberliegenden Zellebene und/oder oberen Endplatte 26 hergestellt werden. Im Fall von Zellebenen sind diese jeweils um ein Segment zu Stapeln gedreht (ca. 51,4°), womit ein spiralförmiger Stromverlauf innerhalb der Stapelanordnung 12 entsteht, wenn jeweils eine ungeradzahlige Anzahl an Unterzellen, im vorliegenden Fall sieben, Verwendung findet. Die restlichen Unterzellen der Zellebene(n) sind jeweils zu/r darüber- beziehungsweise darunterliegenden Ebene(n) elektrisch isoliert.An electrical contact of the individual sub-cells 92 to 104 according to the cell arrangement 112 in the illustration in 8 takes place on their upper side 122 and on their lower side 124. For example, the connection to the underlying cell level and/or a lower end plate 28 can be made via the lower side 124 of the sub-cell 92. The electrical contact to the cell level above and/or upper end plate 26 can be made via the upper side 122. In the case of cell levels, these are each rotated by one segment to form stacks (approx. 51.4°), which creates a spiral-shaped current flow within the stack arrangement 12 when an odd number of sub-cells, in this case seven, are used. The remaining sub-cells of the cell level(s) are each electrically insulated from the level(s) above or below.

Der Darstellung gemäß 9 ist eine Mantelflächenschnittdarstellung der Zellanordnung 112 gemäß den Darstellungen in 8 in schematischer Weise zu entnehmen. Der dargestellte Ausschnitt zeigt eine erste Zellebene 126 sowie eine darunterliegend angeordnete zweite Zellebene 128. Die in 9 dargestellte Zellebene 126 beschränkt sich hier jeweils auf drei Unterzellen, nämlich die erste Unterzelle 92, die zweite Unterzelle 94 und die dritte Unterzelle 96 sowie für die zweite Zellebene 128, die siebte Unterzelle 104, die erste Unterzelle 92 und die zweite Unterzelle 94. In der Darstellung gemäß 9 sind die beiden Zellebenen 126, 128 mit den sieben Unterzellen 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 um jeweils 360°/7 gegeneinander verdreht, so dass ein spiralförmiger Stromverlauf des Stroms in der Stapelanordnung 12, ohne zusätzliche Stromschienen innerhalb der Stapelanordnung 12 verbauen zu müssen, ermöglicht wird. Daraus erklärt sich die ungerade Anzahl der Unterzellen 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 innerhalb der Zellebene 111, wie sie in 9 dargestellt ist. Es werden lediglich Kontaktbereiche 132 zwischen den in 9 übereinanderliegend angeordneten Zellebenen 126, 128 benötigt. According to the illustration 9 is a lateral surface sectional view of the cell arrangement 112 according to the illustrations in 8 in a schematic manner. The section shown shows a first cell level 126 and a second cell level 128 arranged underneath. The 9 The cell level 126 shown here is limited to three subcells, namely the first subcell 92, the second subcell 94 and the third subcell 96, as well as for the second cell level 128, the seventh subcell 104, the first subcell 92 and the second subcell 94. In the representation according to 9 the two cell levels 126, 128 with the seven sub-cells 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 are rotated by 360°/7 against each other, so that a spiral-shaped current flow of the current in the stack arrangement 12 is possible without having to install additional busbars within the stack arrangement 12. This explains the odd number of sub-cells 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 within the cell level 111, as shown in 9 Only contact areas 132 between the 9 superimposed cell levels 126, 128 are required.

Zuführungen zwischen Zellebenen und Medienkanälen, die innerhalb der Dichtung beziehungsweise der Rahmenstruktur 32 verlaufen, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit im Mantelflächenschnitt gemäß 9 nicht dargestellt. Lediglich ist eine H2-Ausleitung 46 in Form einer Bohrung angedeutet. Aus der Darstellung gemäß 9 ergibt sich, dass unter Rückgriff auf 8 eine Spannung in den Zellebenen 126, 128 somit siebenfach vervielfacht wird, demnach 14 Volt statt 2 Volt beträgt, was gleichzeitig eine Differenzspannung für die beiden Zellebenen 126, 128 darstellt, die von der Isolierung zu erbringen ist. Eine Isolierung könnte sich auf eine obere und eine untere Mono- und/oder Bipolarplatte 48/24 beschränken, siehe die symmetrische Aufteilung gemäß 8. Es wird dabei jede zweite der Unterzellen 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 umgedreht aufgebaut. Die Membran 16, die Mono- und/oder Bipolarplatte 48, gegebenenfalls mit dem Isolator 130 und in diesem Fall zwei Rahmen 32 überdecken dabei weiterhin eine komplette Zellebene 126, 128 als jeweils ein Bauelement. Nur die poröse Transportschicht 88 (Porous Transport Layer im Fall von Elektrolyseuren) beziehungsweise die Medientransportlagen 50 (Gasdiffusionslage im Fall von Elektrolyseuren) sind in alternierender Reihenfolge angeordnet.For reasons of clarity, feeds between cell levels and media channels that run within the seal or the frame structure 32 are shown in the lateral surface section according to 9 not shown. Only an H 2 outlet 46 in the form of a bore is indicated. From the illustration according to 9 It follows that, by reference to 8 a voltage in the cell levels 126, 128 is thus multiplied sevenfold, thus being 14 volts instead of 2 volts, which simultaneously represents a differential voltage for the two cell levels 126, 128, which is to be provided by the insulation. Insulation could be limited to an upper and a lower mono- and/or bipolar plate 48/24, see the symmetrical division according to 8 . Every second of the sub-cells 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 is constructed upside down. The membrane 16, the mono- and/or bipolar plate 48, optionally with the insulator 130 and in this case two frames 32 continue to cover a complete cell level 126, 128 as one component each. Only the porous transport layer 88 (porous transport layer in the case of electrolyzers) or the media transport layers 50 (gas diffusion layer in the case of electrolyzers) are arranged in alternating order.

10 zeigt eine Stapelanordnung, bei der eine Anzahl von Unterstapelanordnungen in umgekehrter Orientierung zueinander in einer Stapelanordnung aufgenommen ist, mit einer getrennten Medienversorgung sowie elektrischer Verschaltung. 10 shows a stack arrangement in which a number of sub-stack arrangements are accommodated in a stack arrangement in reverse orientation to each other, with a separate media supply and electrical interconnection.

10 ist zu entnehmen, dass in dieser Ausführungsvariante der Stapelanordnung 12 Medienanschlüsse 36 in Gestalt eines Rohrsystems von einer elektrischen Kontaktierung 82 entkoppelt sind. Die Medienanschlüsse 36 umfassen die H2O-Zuleitung 42, die H2O-, O2-Ausleitung 44 sowie die H2-Ausleitung 46. Aus 10 geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante der mindestens einen Stapelanordnung 12 mehrere Unterstapelanordnungen 74, 76, 78, .. in umgekehrter Abfolge 105 in Bezug auf die Plus- und Minuspole 70, 72 zueinander angeordnet sind. Eine umgekehrte Abfolge 105 der Unterstapelanordnungen 74, 76, 78, .., wie sie in 10 dargestellt ist, bezweckt, dass in Bezug auf die Segmente 62, 64, 66, 68 Minuspole 70 und Pluspole 72 in alternierender Reihenfolge nebeneinanderliegend an der oberen Endplatte 26, ausgeführt als Monopolarplatte 48, vorliegen. Gleiches gilt in analoger Weise für die zweite, untere Endplatte 28, die ebenfalls durch eine Monopolarplatte 48 dargestellt sein kann. Jeder der Unterstapel 74, 76, 78, .. ist aus einer Anzahl von übereinanderliegend gestapelter Zellen 14 aufgebaut. Durch die umgekehrte Abfolge 105 einer beispielsweise geradzahligen Anzahl von Unterstapelanordnungen 74, 76, 78, .. sowie deren elektrischer Verschaltung in Reihe über entsprechend segmentierte Endplatten 26, 28 kann eine Vervielfachung der Stapelanordnungsspannung erreicht werden. Der beispielhaft dargestellten Ausführungsvariante gemäß 3 lässt sich entnehmen, dass die mehrheitlich untenliegenden Medienanschlüsse 36 von den obenliegenden elektrischen Kontaktierungen 82 (vgl. Lage der Pluspole 72 und der Minuspole 70) mechanisch getrennt sein können. 10 It can be seen that in this embodiment of the stack arrangement 12 media connections 36 in the form of a pipe system are decoupled from an electrical contact 82. The media connections 36 comprise the H 2 O supply line 42, the H 2 O, O 2 outlet 44 and the H 2 outlet 46. 10 It can be seen that in this embodiment of the at least one stack arrangement 12, several sub-stack arrangements 74, 76, 78, .. are arranged in a reverse sequence 105 with respect to the plus and minus poles 70, 72. A reverse sequence 105 of the sub-stack arrangements 74, 76, 78, .., as shown in 10 is shown, is intended that, with respect to the segments 62, 64, 66, 68, negative poles 70 and positive poles 72 are present in alternating sequence next to one another on the upper end plate 26, designed as a monopolar plate 48. The same applies analogously to the second, lower end plate 28, which can also be represented by a monopolar plate 48. Each of the sub-stacks 74, 76, 78, .. is made up of a number of cells 14 stacked one above the other. By the reverse sequence 105 of, for example, an even number of sub-stack arrangements 74, 76, 78, .. and their electrical connection in series via correspondingly segmented end plates 26, 28, a multiplication of the stack arrangement voltage can be achieved. The exemplary design variant shown in accordance with 3 It can be seen that the media connections 36, which are mostly located at the bottom, can be mechanically separated from the electrical contacts 82 located at the top (cf. position of the positive poles 72 and the negative poles 70).

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which are within the scope of expert action.

Claims (23)

Stapelanordnung (12) zur elektrochemischen Energiewandlung mit einer Anzahl übereinanderliegend gestapelter Zellen (14), wobei die Zellen (14) jeweils eine Membran (16) aufweisen, der eine Kathodenfunktionsfläche (20) und eine Anodenfunktionsfläche (22) zugeordnet sind und zwischen den Zellen (14) Polarplatten (49) als Bipolarplatten (24) und/oder Monopolarplatten (48) oder Multipolarplatten angeordnet sind, wobei eine elektrochemisch aktive Fläche (18) der Zellen (14) in mehrere, galvanisch voneinander getrennte Segmente (62, 64, 66, 68) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Stapelanordnung (12) entweder Unterstapelanordnungen (74, 76, 78) mit einer Anzahl von Zellen (14) elektrisch in Reihe geschaltet sind oder Zellen (14) in Bezug zueinander in umgekehrter Abfolge (105) angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind.Stack arrangement (12) for electrochemical energy conversion with a number of cells (14) stacked one above the other, wherein the cells (14) each have a membrane (16) to which a cathode functional surface (20) and an anode functional surface (22) are assigned, and polar plates (49) as bipolar plates (24) and/or monopolar plates (48) or multipolar plates are arranged between the cells (14), wherein an electrochemically active surface (18) of the cells (14) is divided into several galvanically separated segments (62, 64, 66, 68), characterized in that within the stack arrangement (12) either sub-stack arrangements (74, 76, 78) with a number of cells (14) are electrically connected in series or cells (14) are arranged in the reverse sequence (105) with respect to one another and are electrically connected in series. Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstapelanordnungen (74, 76, 78) untereinander und/oder Unterzellen (92, 94, 96) auf Zellebene (111) elektrisch in Reihe geschaltet sind.Stacking arrangement (12) according to Claim 1 , characterized in that the sub-stack arrangements (74, 76, 78) are electrically connected in series with one another and/or sub-cells (92, 94, 96) at the cell level (111). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstapelanordnungen (74, 76, 78) über segmentierte Polarplatten (49) als obere Endplatte (26) und/oder untere Endplatte (28) elektrisch in Reihe geschaltet sind.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 and 2 , characterized in that the sub-stack arrangements (74, 76, 78) are electrically connected in series via segmented polar plates (49) as upper end plate (26) and/or lower end plate (28). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterzellen (92, 94, 96) über segmentierte Polarplatten (49) elektrisch kontaktiert und/oder elektrisch in Reihe geschaltet sind.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 3 , characterized in that the subcells (92, 94, 96) are electrically contacted via segmented polar plates (49) and/or are electrically connected in series. Zelle (14) für elektrochemische Energiewandlung mit einer elektrochemisch aktiven Fläche (18), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemisch aktive Fläche (18) in mehrere galvanisch voneinander getrennte Segmente (62, 64, 66, 68) unterteilt ist.Cell (14) for electrochemical energy conversion with an electrochemically active surface (18), characterized in that the electrochemically active surface (18) is divided into several galvanically separated segments (62, 64, 66, 68). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemisch aktive Fläche (18) der Zelle (14) in mehrere, beliebig geformte Segmente (62, 64, 66, 68) in eindimensionaler Aufteilung in ein bis vier Segmente oder in mehrdimensionaler Aufteilung in mindestens zwei Segmente aufgeteilt ist.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that the electrochemically active surface (18) of the cell (14) is divided into several arbitrarily shaped segments (62, 64, 66, 68) in a one-dimensional division into one to four segments or in a multi-dimensional division into at least two segments. Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (62, 64, 66, 68) die gleiche elektrochemisch aktive Fläche (18) beziehungsweise annähernd die gleiche elektrochemisch aktive Fläche (18) aufweisen.Stacking arrangement (12) according to Claim 6 , characterized in that the segments (62, 64, 66, 68) have the same electrochemically active area (18) or approximately the same electrochemically active area (18). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine galvanische Trennung (60) der Segmente (62, 64, 66, 68) durch eine galvanische Unterteilung zwischen benachbarten Kathodenfunktionsflächen (20) und/oder Anodenfunktionsflächen (22) sowie Gasdiffusionslagen (50) oder porösen Transportlagen (51) erfolgt.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that a galvanic separation (60) of the segments (62, 64, 66, 68) is carried out by a galvanic subdivision between adjacent cathode functional surfaces (20) and/or anode functional surfaces (22) as well as gas diffusion layers (50) or porous transport layers (51). Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Unterteilung auf Ebene der Anodenfunktionsfläche (22) und/oder der Kathodenfunktionsfläche (20) durch eine Unterbrechung der Beschichtung und/oder eine Passivierung erfolgt.Stacking arrangement (12) according to Claim 8 , characterized in that the galvanic subdivision at the level of the anode functional surface (22) and/or the cathode functional surface (20) is carried out by an interruption of the coating and/or a passivation. Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Unterteilung auf Ebene der Medientransportlagen, insbesondere der Gasdiffusionslage (50) sowie der porösen Transportlage (51) durch eine elektrisch isolierende Zwischenlage beziehungsweise eine poröse Stabilisationsschicht (88) erfolgt.Stacking arrangement (12) according to Claim 8 , characterized in that the galvanic subdivision at the level of the media transport layers, in particular the gas diffusion layer (50) and the porous transport layer (51) is carried out by an electrically insulating intermediate layer or a porous stabilization layer (88). Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Stabilisationsschicht (88) die Membran (16) der Zellen (14) stabilisiert.Stacking arrangement (12) according to Claim 10 , characterized in that the porous stabilization layer (88) stabilizes the membrane (16) of the cells (14). Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Stabilisationsschicht (88) passivierten Carbonschaum umfasst oder als mindestens ein Kunststoffbauteil mit integriertem Flowfield gebildet ist.Stacking arrangement (12) according to Claim 10 , characterized in that the porous stabilization layer (88) comprises passivated carbon foam or is formed as at least one plastic component with an integrated flow field. Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Trennung (60) auf der Polarplatte (49), insbesondere einer Monopolarplatte (48) und/oder Bipolarplatte (24) durch ein IMS (Isolated Metal Substrate)-Verfahren und/oder eine örtliche Passivierung des Materials der Polarplatte (49) erfolgt.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that the galvanic isolation (60) on the polar plate (49), in particular a monopolar plate (48) and/or bipolar plate (24), is carried out by an IMS (Isolated Metal Substrate) process and/or a local passivation of the material of the polar plate (49). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zelle (14) unterschiedliche Medienbereiche vorhanden sind.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that in different media areas are present in a cell (14). Stapelanordnung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Stapelanordnung (12) mindestens zwei Unterstapelanordnungen (74, 76) mit mindestens zwei Segmenten (62, 64, 66, 68) gebildet sind, die entweder auf Ebene der mindestens einen Stapelanordnung (12) elektrisch in Reihe geschaltet sind oder als Reihenschaltung von allen Segmenten (62, 64, 66, 68) pro Zelle (14) elektrisch in Reihe geschaltet sind.Stacking arrangement (12) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that in the at least one stack arrangement (12) at least two sub-stack arrangements (74, 76) with at least two segments (62, 64, 66, 68) are formed, which are either electrically connected in series at the level of the at least one stack arrangement (12) or are electrically connected in series as a series connection of all segments (62, 64, 66, 68) per cell (14). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen räumlichen Versatz beziehungsweise eine abwechselnde Positionierung der Unterzellen (92, 94, 96, 98) oder der Unterstapel (74, 76, 78) in den mindestens zwei verschiedenen Medienbereichen sich die Unterzellen (92, 94, 96, 98) beziehungsweise Unterstapel (74, 76, 78) die erforderlichen Medienanschlüsse (36, 42, 44, 46) teilen.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that by a spatial offset or an alternating positioning of the subcells (92, 94, 96, 98) or the substacks (74, 76, 78) in the at least two different media areas, the subcells (92, 94, 96, 98) or substacks (74, 76, 78) share the required media connections (36, 42, 44, 46). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Medienversorgung (36) räumlich vom Anschlussfeld der Stapelanordnung (12) in Minuspol (70) und Pluspol (72) trennbar angeordnet ist.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that a media supply (36) is arranged spatially separable from the connection field of the stack arrangement (12) into negative pole (70) and positive pole (72). Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienversorgung (36) eine H2O-Versorgung/Zuleitung (42), eine H2O- und O2-Ausleitung (44) und eine H2-Ausleitung (46) umfasst.Stacking arrangement (12) according to Claim 16 , characterized in that the media supply (36) comprises an H 2 O supply/supply line (42), an H 2 O and O 2 outlet (44) and an H 2 outlet (46). Stapelanordnung (12) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienversorgung (36) bei mehreren Anschlüssen an der Stapelanordnung (12) außerhalb der Stapelanordnung (12) zurückgeführt wird.Stacking arrangement (12) according to Claim 16 , characterized in that the media supply (36) is returned outside the stack arrangement (12) in the case of several connections on the stack arrangement (12). Stapelanordnung (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Isolationsstrecken für die Medienanschlüsse (36, 42, 44, 46) durch eine weiter entfernte Zusammenführung dargestellt sind.Stacking arrangement (12) according to the Claims 1 until 4 , characterized in that insulation distances for the media connections (36, 42, 44, 46) are represented by a further distant junction. Verwendung der Stapelanordnung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 in elektrochemischen Systemen zur Wandlung von gasförmigen oder flüssigen Medien in elektrischen Strom.Use of the stacking arrangement (12) according to one of the Claims 1 until 20 in electrochemical systems for converting gaseous or liquid media into electrical current. Verwendung der Stapelanordnung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Gestehung von H2 in einer Elektrolyseeinrichtung oder einer Brennstoffzelle zur Umwandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom.Use of the stacking arrangement (12) according to one of the Claims 1 until 20 to produce H 2 in an electrolysis device or a fuel cell to convert hydrogen into electrical current. Verwendung der Stapelanordnung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 in Redox-Flow-Systemen, insbesondere Nasszellen von Vanadium-Redox-Flow-Batterien, Zink-Brom-Akkumulatoren, Polysulfit-Bromit-Akkumulatoren, NICD-Akkumulatoren und Ligninbatterien.Use of the stacking arrangement (12) according to one of the Claims 1 until 20 in redox flow systems, especially wet cells of vanadium redox flow batteries, zinc-bromine batteries, polysulfite-bromite batteries, NICD batteries and lignin batteries.
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