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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenstapel von elektrochemischen Zellen, insbesondere von Elektrolysezellen.
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Stand der Technik
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Elektrolysezellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasser mit Hilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gewandelt wird; bei Brennstoffzellen läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Zellenstapel elektrochemischer Zellen sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche beispielsweise abwechselnd übereinander angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Verteilerplatten aufweisen. Hierbei dienen die Verteilerplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Abfuhr von Produkten. Die Verteilerplatten bilden übereinandergestapelt Verteilerkanäle aus, siehe hierzu beispielsweise die
DE102016225444 A1 .
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Insbesondere bei Verteilerkanälen von Elektrolysezellenstapeln, aus welcher Wasserstoff aus dem Zellenstapel ausgetragen werden soll, ist es von Vorteil die Reinheit des Wasserstoffs zu erhöhen, also darin enthaltene Wassertropfen abzuscheiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu umfasst der Zellenstapel von elektrochemischen Zellen einen Verteilerkanal mit einem Gas-Flüssig-Trennelement. Das Gas-Flüssig-Trennelement umfasst ein Abscheideelement und ein Deflektorelement. Das Deflektorelement schützt das Abscheideelement vor beispielsweise Tröpfchenschlag. Das Abscheideelement dient dem Abscheiden von beispielsweise Wasser aus einem Wasser-Wasserstoff-Gemisch. Demzufolge sind die elektrochemischen Zellen bevorzugt Elektrolysezellen zur Wasserelektrolyse; und der Verteilerkanal ist bevorzugt ein Wasserstoff-Sammelkanal, welcher mit einem Fluidauslass verbunden ist. Über den Fluidauslass kann der durch die Elektrolysezellen produzierte Wasserstoff somit in sehr reiner Qualität abgeführt bzw. gesammelt werden. Das Gas-Flüssig-Trennelement ist so robust gestaltet, dass es bei den vergleichsweise hohen Drücken in dem Wasserstoff-Sammelkanal eines Elektrolysezellenstapels - beispielsweise 30 bis 40 bar - eingesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Verteilerkanal mit einem Wasserablass verbunden, so dass das durch das Abscheideelement abgeschiedene Wasser aus dem Verteilerkanal bzw. aus dem Zellenstapel entfernt werden kann.
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In vorteilhaften Ausführungen sind die Kathodenräume der elektrochemischen Zellen nicht mit einem Fluideinlass verbunden; die Kathodenräume sind nur mit einem Fluidauslass verbunden; man spricht hier auch von einer „trockenen Kathode“. In diesem Fall kann bevorzugt sogar auf weitere Abscheidevorrichtungen neben dem Gas-Flüssig-Trennelement verzichtet werden. Das Gas-Flüssig-Trennelement in dem Verteilerkanal ist alleine ausreichend für eine hohe Wasserstoff-Reinheit.
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Bevorzugt umfassen die elektrochemischen Zellen Verteilerplatten (bzw. Bipolarplatten) und Membran-Elektroden-Anordnungen, welche alternierend übereinander zu dem Zellenstapel gestapelt sind. In vorteilhaften Ausführungen bilden Ausnehmungen in den Verteilerplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen die Verteilerkanäle aus.
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In vorteilhaften Ausführungen weisen die elektrochemischen Zellen Verteilerplatten auf. An den Verteilerplatten sind Blechnasen ausgebildet, wobei die Blechnasen das Deflektorelement bilden. Das Deflektorelement ist somit sehr effizient und nahezu kostenneutral gestaltet, nämlich als Blechnase mit nahezu zu vernachlässigendem Materialeinsatz an der ohnehin umzuformenden Verteilerplatte.
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In bevorzugten Weiterbildungen ragen die Blechnasen in den Verteilerkanal hinein. Dadurch ist das Deflektorelement sehr effizient und platzsparend angeordnet. Im Idealfall erhöht sich durch diese Anordnung das Volumen des Zellenstapels trotz der Verwendung des Gas-Flüssig-Trennelements gar nicht.
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Vorteilhafterweise sind das Deflektorelement und/oder das Abscheideelement als Rohr ausgeführt. So können sie einfach in den üblicherweise ebenfalls rohrhaften Verteilerkanal eingesetzt werden. Bevorzugt ist das Rohr als gebogenes Streckmetall oder gebogenes Sintermetall ausgeführt, insbesondere im Falle des Abscheideelements. Dadurch weist das Rohr selbst ein poröses Volumen auf, an dessen Materialoberflächen sich die Flüssigkeit gut aus dem Gas-Flüssig-Gemisch abscheiden kann, und im Falle eines Wasserstoff-Sammelkanals sich das Wasser gut aus dem Wasser-Wasserstoff-Gemisch abscheiden kann.
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In vorteilhaften Ausführungen bildet das Abscheideelement eine Trennebene in dem Verteilerkanal aus. Der Verteilerkanal wird durch das Abscheideelement so in einen Gas-Flüssig-Bereich und in einen reinen Gas-Bereich getrennt.
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Ausführungen, bei denen das Deflektorelement hydrophile Oberflächeneigenschaften aufweist, wie sie durch Beschichtung oder beispielsweise Aufrauen der Oberfläche erzielt werden können, sind besonders vorteilhaft, da so auftreffende Tröpfchen an die Oberfläche gebunden werden. In Kombination mit einem Abscheideelement, das in einer vorteilhaften Weiterbildung hydrophobe Eigenschaften hat, wie sie durch die Verwendung von beispielsweise Polymeren wie PTFE oder PVDF als Beschichtung oder Vollmaterial bekannt sind ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführung.
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Die Erfindung wird bevorzugt für elektrochemische Zellen wie Brennstoffzellen und Elektrolysezellen verwendet. Die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle sind dabei insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle) bzw. PEM-EC (Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolysezelle) oder eine AEM-EC (Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell).
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 schematisch ein elektrochemisches System mit einem Zellenstapel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 2 Schnitt durch eine bekannte, schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 3 Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4a Schnitt in yz-Ebene durch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel mit einem Gas-Flüssig-Trennelement, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4b Schnitt in xy-Ebene durch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel mit einem Gas-Flüssig-Trennelement, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt schematisch ein aus dem Stand bekanntes elektrochemisches System 200 mit einem Zellenstapel 150. Der Zellenstapel weist üblicherweise eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, bevorzugt Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen auf. Das elektrochemische System 200 weist einen Fluideinlass 210 sowie einen Fluidauslass 220 auf. Je nach Ausführung des Zellenstapels 150 kann das elektrochemische System 200 auch noch einen weiteren Fluidauslass 230 und/oder einen weiteren Fluideinlass (nicht dargestellt) aufweisen.
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Der Fluidauslass 220 und der weitere Fluidauslass 230 können jeweils einen Wasserabscheider 225, 235 aufweisen, wie beispielsweise aus der
WO19238218 bekannt ist.
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Wenn das elektrochemische System 200 ein Elektrolysesystem zur Wasserelektrolyse ist und damit Wasserstoff das bevorzugte Produkt ist, wird das zu spaltende Wasser bevorzugt nur auf der Sauerstoffseite, in diesem Fall der Anode, zugeführt und nach dem Durchlaufen des Zellenstapels 150 versetzt mit Sauerstoff dem Wasserabscheider 235 zugeführt und optional mit einer Pumpe über einen optionalen Wärmetauscher wieder in den Fluideinlass 210 des Zellenstapels 150 eingeleitet. Die Kathodenseite, also die Wasserstoffseite, bleibt in diesem Fall weitgehend trocken, d.h. im Wesentlichen frei von flüssigem Wasser. Dennoch wird auch auf der Wasserstoffseite, also im Fluidauslass 220, ein Wasserabscheider 225 benötigt, da in der Regel eine wasserfreie Wasserstoff-Qualität von den Kunden gefordert wird und insbesondere im fluktuierenden Betrieb des Systems 200 mit z.B. mitgerissenen Kondensattropfen beim Wieder-Hoch-Fahren zu rechnen ist.
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Üblicherweise wird das Produkt Wasserstoff, insbesondere im gasförmigen Zustand, unter Druck stehend benötigt. Um den externen Kompressionsaufwand für den Wasserstoff gering zu halten, wird die Wasserstoffseite (Kathodenseite) des Elektrolysezellenstapels 150 bevorzugt unter Druck betrieben, z.B. nach Stand der Technik bis 30 bar. Damit steht entsprechend der Wasserabscheider 225 ebenfalls unter erheblichem Druck, so dass die bauliche Ausführung mit den erforderlichen Volumina in Abhängigkeit des Restwasseranteils im Wasserstoff-Volumenstrom des Fluidauslasses 220, und den in Kombination erforderlichen Wandstärken zu großen und teuren Wasserabscheidern 225 führen kann.
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2 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die elektrochemische Zelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
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Der Kathodenraum 100a und der Anodenraum 100b sind je nach Ausführung der elektrochemischen Zelle 100 entsprechend mit dem Fluideinlass 210, dem Fluidauslass 220 und dem weiteren Fluidauslass 230 verbunden. Ist die elektrochemische Zelle 100 als Elektrolysezelle zur Wasserelektrolyse ausgeführt und erfolgt die Wasserzufuhr anodenseitig, dann ist der Anodenraum 100b eingangsseitig mit dem Fluideinlass 210 und optional ausgangsseitig mit dem weiteren Fluidauslass 230 verbunden; der Kathodenraum 100a der Elektrolysezelle ist dann ausgangsseitig mit dem Fluidauslass 220 verbunden.
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Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - im Falle einer Brennstoffzelle beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 können beispielsweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht bestehen.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
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Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst. In anderen Ausführungen kann eine Bipolarplatte auch aus nur einer einzigen Verteilerplatte 7, 8 bestehen; diese begrenzt dann sowohl den Kathodenraum 100a einer elektrochemischen Zelle 100 als auch den Anodenraum 100b der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle 100.
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3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel 150 mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen 100, welche zwischen zwei Endplatten 151, 152 angeordnet und bevorzugt verspannt sind. In dem Zellenstapel 150 sind Verteilerkanäle 160 ausgebildet, welche für die Medienzu- und -abfuhr in bzw. aus den Kanälen 11 der einzelnen Zellen 100 notwendig sind. Üblicherweise ergeben sich diese Verteilerkanäle 160 durch Übereinanderstapeln entsprechender Ausnehmungen in den Verteilerplatten 7, 8 der einzelnen Zellen 100.
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Die Verteilerkanäle 160 sind mit dem Fluideinlass 210 (oder auch mehreren Fluideinlässen) und den Fluidauslässen 220, 230 fluidisch verbunden. In der Ausführung der 3 ist der Zellenstapel 150 als Stapel von Elektrolysezellen 100 ausgeführt. Ein Verteilerkanal 161 ist daher mit den Kanälen 11 im Kathodenraum 100a der einzelnen Zellen 100 und mit dem Fluidauslass 220 verbunden. Ein weiterer Verteilerkanal 162 ist mit den Kanälen 11 im Anodenraum 100b der einzelnen Zellen 100, mit dem Fluideinlass 210 und mit dem weiteren Fluidauslass 230 verbunden. Der Verteilerkanal 161 ist damit de facto der H2-Verteilerkanal (oder auch H2-Sammelkanal), und der weitere Verteilerkanal 162 ist der H2O-Verteilerkanal (oder auch O2-Sammelkanal).
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In mindestens einem Verteilerkanal 160, 161, 162 ist nun erfindungsgemäß in Stapelrichtung z des Zellenstapels 150 ein Gas-Flüssig-Trennelement 170 angeordnet. Das Gas-Flüssig-Trennelement 170 wird bevorzugt im Wasserstoff-Produktkanal (also im Verteilerkanal 161), welcher Wasserstoff aus dem Zellenstapel 150 zum Fluidauslass 220 leitet, eingebaut, sofern der Zellenstapel 150 als Stapel von Elektrolysezellen 100 ausgeführt ist.
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Das Gas-Flüssig-Trennelement 170 besteht dabei vorzugsweise aus mindestens zwei nahezu konzentrisch angeordneten Elementen:
- - innen ein klassisches Abscheideelement 172, bevorzugt eine Sintermetall- oder Streckmetallröhre oder eine poröse polymere Struktur, die mit dem Ausgang aus dem Zellenstapel 150, also mit dem Fluidauslass 220, verbunden ist,
- - und in Richtung der Zuleitung(en) zu den einzelnen Zellen 100 bzw. zu deren Kanälen 11, ein klassisches Deflektorelement 174, also ein Abweiser, der direkt in Flugrichtung entlang der Strömungsbahn aus der einzelnen Zelle 100 einen Tropfen am direkten Auftreffen auf dem Abscheideelement 172 verhindert.
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Der Zellenstapel 150 ist druckfest ausgeführt. Handelt es sich bei dem Zellenstapel 150 um einen Stapel von Elektrolysezellen 100, welche mit einer sogenannten trockenen Kathode betrieben werden, das heißt dass die Zufuhr von Wasser nur anodenseitig erfolgt, dann kann der H2-Sammelkanal, also der Verteilerkanal 161, mit deutlich kleinerem Querschnitt als der weitere Verteilerkanal 162 ausgeführt werden. Durch das druckfeste Gas-Flüssig-Trennelement 170 besteht innerhalb des Zellenstapels 150 so nahezu kostenneutral die Möglichkeit den Austrag an flüssigem Wasser aus dem Zellenstapel 150 massiv zu begrenzen. Nachfolgende Trocknungsschritte wie die meist notwendige thermische Trocknungsstufe können erheblich kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Auf den Wasserabscheider 225 im Fluidauslass 220 kann idealerweise sogar verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist das Abscheideelement 172 in den beiden Endplatten 151, 152 in seiner Lage fixiert, oder durch entsprechende Gestaltung der Verteilerplatten 7, 8, beispielsweise durch Blechnasen, die die einzelnen Zellen 100 gegeneinander begrenzen, geführt. Das eine Ende des Abscheideelementes 172 (in der Ausführung der 3 das links in der Endplatte 151 angeordnete) ist stirnseitig verschlossen, das andere Ende dient zum Ausleiten des Wasserstoffs aus dem Elektrolysezellenstapel 150 über vorzugsweise eben diese Endplatte 152.
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Das Deflektorelement 174 wird bevorzugt ebenfalls zwischen den Endplatten 151, 152 fixiert oder von den Verteilerplatten 7, 8 geführt, umschließt das Abscheideelement 172 aber nicht notwendigerweise vollständig. Besonders bevorzugt ist das Deflektorelement 174 insbesondere außerhalb der Flugbahn von Tröpfchen, die aus den Zellen 100 in Richtung des Verteilerkanals 161 durch eine perforierte Wand des Abscheideelementes 172 mitgerissen werden, offen, beispielsweise strömungsabgewandt geschlitzt ausgeführt.
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Ist der Verteilerkanal 160, 161, 162 nach Montage des Zellenstapels 150 in seinem Betrieb in waagrechter Position vorgesehen, d.h. die Stapelrichtung z ist parallel zum Erdboden, so läge die geschlitzte Seite des Deflektorelements 174 bevorzugt oben. Um zu verhindern, dass sich Tröpfchen in der Rinne des Deflektorelements 174 akkumulieren, kann das Deflektorelement 174 entsprechende Drainageöffnungen aufweisen.
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4 zeigt zwei Schnitte in yz-Ebene (4a) bzw. in xy-Ebene (4b) durch einen Zellenstapel 150 mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Gas-Flüssig-Trennelements 170. An den Verteilerplatten 7, 8 sind Blechnasen 82 ausgebildet, welche das Deflektorelement 174 des Gas-Flüssig-Trennelements 170 bilden. Die Blechnasen 82 ragen in den Verteilerkanal 160, 161, 162 hinein, welcher bevorzugt als H2-Sammelkanal 161 ausgeführt ist. Nach dem Stapeln der Zellen 100 zu dem Zellenstapel 150 bilden die Blechnasen 82 besonders bevorzugt mit einer gewissen Überlappung - wie Dachschindeln - ein weitgehend unterbrechungsfreies Deflektorelement 174 aus, welches jedoch zwischen den Blechnasen 82 der einzelnen Verteilerplatten durch Spalte eine hervorragende Entwässerung ermöglicht; dieses Wasser wird üblicherweise der Schwerkraft folgend nach unten ablaufen und kann flüssig aus dem Zellenstapel 150 abgeführt werden.
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Das Deflektorelement 174 leitet den Strömungsweg 177 des Gas-Flüssig-Fluids, und zwar so, dass der Strömungsweg eben nicht auf direktem Weg aus den Kanälen 11 der einzelnen Zellen 100 in den Verteilerkanal 160, 161, 162 und damit auf das Abscheideelement 172 führt, sondern so, dass die Strömung umgelenkt wird. Das Deflektorelement 174 bestimmt den Strömungsweg 177 des Gas-Flüssig-Fluids so, dass dieses am direkten Auftreffen auf das Abscheideelement 172 gehindert wird; das Abscheideelement 172 wird so beispielsweise vor Tröpfchenschlag geschützt.
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Das Abscheideelement 172 bildet in der Ausführung der 4 eine Trennebene in dem Verteilerkanal 160, 161, 162; in dieser Ausführungsform ist das Abscheideelement 172 bevorzugt als Streckmetallblech ausgeführt.
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4b zeigt den Schnitt in der xy-Ebene durch den Zellenstapel 150 auf Höhe einer Verteilerplatte 7, 8. Der Verteilerkanal 160, 161, 162 wird durch entsprechende Ausnehmungen in den Verteilerplatten 7, 8 und Membran-Elektroden-Anordnungen 1 ausgebildet. Die Blechnasen 82, welche das Deflektorelement 174 ausbilden, sind so gestaltet, dass der Strömungsweg 177 nicht direkt in y-Richtung in den Verteilerkanal 160, 161, 162 führt, sondern zunächst in x-Richtung umgelenkt wird. Entsprechend ist das Abscheideelement 172 vor dem Aufschlagen von Tröpfchen mit hohen Geschwindigkeiten geschützt. Die Blechnasen 82 können dabei beispielsweise als geschlossenes Blech oder als Streckmetall ausgeführt sein. In der 4b sind weiterhin eine Perimeterdichtung 158 und Spannelemente 156 dargestellt.
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Mögliche Ausführungsformen des Abscheideelements 172 sind:
- - Als Vollrohr (beispielsweise mit rundem oder eckigem Querschnitt).
- - Als zu einem Rohr gebogenes Streckmetall oder Sintermetall, wobei die Naht des Rohrs entweder geschlossen ausgeführt ist oder von dem Strömungsweg 177 aus den Zellen 100 heraus abgewandt ist.
- - Als Trennebene in den Verteilerkanal 160, 161, 162 eingefügt, beispielsweise als Streckmetallblech in das Zentrum des Verteilerkanals 160, 161, 162; bevorzugt über kleine Schlitze in den Verteilerplatten 7, 8 fixiert, so dass der halbe Querschnitt des Verteilerkanals 160, 161, 162 bezüglich zu der Position der Zelle 100 „hinter“ dem Abscheideelement 172 ist.
- - Hydrophob, oder mit hydrophobisierter Oberfläche durch beispielsweise Polymerbeschichtung.
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Mögliche Ausführungsformen des Deflektorelements 174 sind:
- - Als Rinne oder Halbrohr.
- - Als Streckmetall.
- - Als Blechnasen 82, insbesondere an den Verteilerplatten 7, 8 ausgebildet.
- - Hydrophilisiert, beispielsweise durch lokale Aufrauhung der Oberfläche oder durch Beschichtung.
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Das Deflektorelement 174 muss nicht über die gesamte Stapellänge des Zellenstapels 150 in dem Verteilkanal 160, 161, 162 ausgeführt sein, eventuell muss beispielsweise das Abscheideelement 172 im Bereich der obersten und/oder der untersten Zelle des Zellenstapels 150 nicht geschützt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225444 A1 [0002]
- WO 19238218 [0016]
