DE102023201992A1 - Stack arrangement for electrochemical energy conversion - Google Patents
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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. 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.
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 gemäß1 , -
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 gemäß8 , -
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,
-
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 to1 , -
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 to8 , -
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,
Die in
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
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
Aus der Draufsicht gemäß
Die in den
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
Durch die Darstellung von jeweils zwei Zellebenen 126, 128 (vgl.
Eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Unterzellen 92 bis 104 gemäß der Zellanordnung 112 in der Darstellung in
Der Darstellung gemäß
Zuführungen zwischen Zellebenen und Medienkanälen, die innerhalb der Dichtung beziehungsweise der Rahmenstruktur 32 verlaufen, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit im Mantelflächenschnitt gemäß
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)
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Also Published As
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