DE102019217219A1 - Cell arrangement for the generation and compression of hydrogen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung (100) zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff. Die Zellanordnung (100) umfasst dabei ein Gehäuse (10), welches eine erste Anschlussstelle (11) zur Zuführung von aufzuspaltendem Wasser und eine zweite Anschlussstelle (12) zur Abführung von verdichtetem Wasserstoff aufweist.Die Erfindung betrifft ferner ein Energieversorgungssystem, das mindestens eine Zellanordnung (100) zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine Zellanordnung (100) zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff oder ein Energieversorgungssystem aufweist.The invention relates to a cell arrangement (100) for generating and compressing hydrogen. The cell arrangement (100) comprises a housing (10) which has a first connection point (11) for supplying water to be split and a second connection point (12) for discharging compressed hydrogen. The invention further relates to an energy supply system which has at least one cell arrangement (100) for the production and compression of hydrogen. The invention also relates to a motor vehicle which has at least one cell arrangement (100) for generating and compressing hydrogen or an energy supply system.
Description
Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff. Die Zellanordnung umfasst dabei ein Gehäuse, welches eine erste Anschlussstelle zur Zuführung von aufzuspaltendem Wasser und eine zweite Anschlussstelle zur Abführung von verdichtetem Wasserstoff aufweist.The invention relates to a cell arrangement for generating and compressing hydrogen. The cell arrangement comprises a housing which has a first connection point for supplying water to be split and a second connection point for discharging compressed hydrogen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Energieversorgungssystem, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst.The invention also relates to an energy supply system which comprises at least one cell arrangement according to the invention.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung oder ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem aufweist.The invention also relates to a motor vehicle which has at least one cell arrangement according to the invention or an energy supply system according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen vermehrt elektrische Systeme zum Einsatz kommen, die fortschrittliche Technologie zur Energieerzeugung mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Eine Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie für ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs bilden Brennstoffzellen.It is becoming apparent that in the future, especially in vehicles, more and more electrical systems will be used that combine advanced technology for energy generation with electrical drive technology. Fuel cells form one possibility for generating electrical energy for an electrical drive system of a vehicle.
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (
Zur Erzeugung von Wasserstoff findet üblicherweise ein Elektrolyseur Anwendung. Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H2O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (
Damit der erzeugte Wasserstoff in einem Hochdruckspeicher gespeichert werden kann, werden üblicherweise Verdichter eingesetzt. Dabei kann der Verdichter als ein elektrochemischer Kompressor ausgestaltet sein. Ein solcher elektrochemischer Kompressor wird auch als „Electrochemical Hydrogen Compressor“ (EHC) bezeichnet. Ein elektrochemischer Kompressor ermöglicht eine Druckerhöhung des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, auf mehrere 100 bar und benötigt dazu keine mechanisch bewegten Bauteile.Compressors are usually used so that the hydrogen produced can be stored in a high-pressure storage device. The compressor can be designed as an electrochemical compressor. Such an electrochemical compressor is also known as an “Electrochemical Hydrogen Compressor” (EHC). An electrochemical compressor enables the pressure of the fuel, in particular hydrogen, to be increased to several 100 bar and does not require any mechanically moving components.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird eine Zellanordnung zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff vorgeschlagen. Die Zellanordnung umfasst dabei ein Gehäuse, das eine erste Anschlussstelle zur Zuführung von aufzuspaltendem Wasser und eine zweite Anschlussstelle zur Abführung von verdichtetem Wasserstoff aufweist.A cell arrangement for generating and compressing hydrogen is proposed. The cell arrangement comprises a housing which has a first connection point for supplying water to be split and a second connection point for discharging compressed hydrogen.
Erfindungsgemäß sind im Gehäuse mindestens ein Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse des aufzuspaltenden Wassers und mindestens ein Verdichter zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs angeordnet. Dabei weist der mindestens eine Elektrolyseur eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit mit einer Elektrolyseuranode und einer Elektrolyseurkathode, welche voneinander durch eine Elektrolyseurmembran getrennt sind, einen Elektrolyseur-Zufuhrbereich zur Zuführung des aufzuspaltenden Wassers an die Elektrolyseuranode und einen Elektrolyseur-Abfuhrbereich zur Abführung des erzeugten Wasserstoffs von der Elektrolyseurkathode auf. Der mindestens eine Verdichter ist dabei als ein elektrochemischer Kompressor ausgestaltet und weist eine Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit mit einer Verdichteranode und einer Verdichterkathode, welche voneinander durch eine Verdichtermembran getrennt sind, einen Verdichter-Zufuhrbereich zur Zuführung des vom Elektrolyseur-Abfuhrbereich abgeführten Wasserstoffs an die Verdichteranode und einen Verdichter-Abfuhrbereich zur Abführung des verdichtetem Wasserstoffs von der Verdichterkathode auf. Der Elektrolyseur-Abfuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs und der Verdichter-Zufuhrbereich des mindestens einen Verdichters sind dabei fluidisch miteinander verbunden.According to the invention, at least one electrolyser for generating hydrogen by electrolysis of the water to be split and at least one compressor for compressing the hydrogen generated are arranged in the housing. The at least one electrolyser has an electrolyser membrane electrode unit with an electrolyser anode and an electrolyser cathode, which are separated from one another by an electrolyser membrane, an electrolyser feed area for feeding the water to be split to the electrolyser anode and an electrolyser discharge area for discharging the generated Hydrogen from the electrolyzer cathode. The at least one compressor is designed as an electrochemical compressor and has a compressor-membrane-electrode unit with a compressor anode and a compressor cathode, which are separated from one another by a compressor membrane, a compressor supply area for supplying the hydrogen removed from the electrolyzer discharge area the compressor anode and a compressor discharge area for discharging the compressed hydrogen from the compressor cathode. The electrolyzer discharge area of the at least one electrolyzer and the compressor supply area of the at least one compressor are fluidically connected to one another.
Durch die fluidische Verbindung zwischen dem Elektrolyseur-Abfuhrbereich und dem Verdichter-Zufuhrbereich entnimmt der mindestens eine Verdichter den durch den mindestens einen Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff aus dem ersten Abfuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs.Due to the fluidic connection between the electrolyzer discharge area and the compressor supply area, the at least one compressor takes the hydrogen generated by the at least one electrolyzer from the first discharge area of the at least one electrolyzer.
Der mindesten eine Elektrolyseur und der mindestens eine Verdichter umfassen jeweils ein stützendes Element für die jeweiligen Membran-Elektroden-Einheiten, das zur elektrischen, flächigen Kontaktierung dient.The at least one electrolyser and the at least one compressor each include a supporting element for the respective membrane-electrode units, which is used for electrical, two-dimensional contact.
Im Betrieb des mindestens einen Elektrolyseurs wird das aufzuspaltende Wasser über den Elektrolyseur-Zufuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs der Elektrolyseuranode des mindestens einen Elektrolyseurs zugeführt. Durch Zufuhr elektrischer Energie wird das Wasser aufgespalten. Die dabei entstandenen Protonen werden durch lonenleitung durch die Elektrolyseurmembran des mindestens einen Elektrolyseurs geleitet. Die Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis zu der Elektrolyseurkathode des mindestens einen Elektrolyseurs. An der Elektrolyseurkathode des mindestens einen Elektrolyseurs rekombinieren Protonen und Elektronen zu Wasserstoff.When the at least one electrolyzer is in operation, the water to be split is supplied to the electrolyzer anode of the at least one electrolyzer via the electrolyzer supply area of the at least one electrolyzer. The water is split up by supplying electrical energy. The resulting protons are conducted through the electrolysis membrane of the at least one electrolyser by ionic conduction. The electrons flow via an external circuit to the electrolyzer cathode of the at least one electrolyzer. At the electrolyzer cathode of the at least one electrolyzer, protons and electrons recombine to form hydrogen.
Zwischen der Elektrolyseuranode und dem Elektrolyseur-Zufuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs sowie zwischen der Elektrolyseurkathode und dem Elektrolyseur-Abfuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs kann jeweils eine Gasdiffusionsschicht angeordnet werden, die zur gleichmäßigen Verteilung des Reaktanten, wie z.B. des aufzuspaltenden Wassers und des Produkts, wie z.B. des erzeugten Wasserstoffs/Sauerstoffs, dient.Between the electrolyser anode and the electrolyser supply area of the at least one electrolyser and between the electrolyser cathode and the electrolyser discharge area of the at least one electrolyser, a gas diffusion layer can be arranged in each case, which is used to evenly distribute the reactants, such as the water to be split and the product, such as of the generated hydrogen / oxygen, is used.
Im Betrieb des mindestens einen Verdichters wird der erzeugte Wasserstoff über den Verdichter-Zufuhrbereich des mindestens einen Verdichters der Verdichteranode des mindestens einen Verdichters zugeführt. Durch Zufuhr elektrischer Energie wird der Wasserstoff aufgespalten. Die dabei entstandenen Protonen werden durch lonenleitung durch die Verdichtermembran des mindestens einen Verdichters geleitet. Die Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis zu der Verdichterkathode des mindestens einen Verdichters. An der Verdichterkathode des mindestens einen Verdichters rekombinieren Protonen und Elektronen wieder zu Wasserstoff. Durch diese kontinierliche Pumpwirkung erhöht sich bei einer geschlossenen Zellanordnung der Druck an der Verdichterkathode des mindestens einen Verdichters in dem Verdichter-Abfuhrbereich des mindestens einen Verdichters.When the at least one compressor is in operation, the hydrogen generated is fed to the compressor anode of the at least one compressor via the compressor feed area of the at least one compressor. The hydrogen is split up by supplying electrical energy. The resulting protons are conducted through the compressor membrane of the at least one compressor by ion conduction. The electrons flow via an external circuit to the compressor cathode of the at least one compressor. At the compressor cathode of the at least one compressor, protons and electrons recombine to form hydrogen. With a closed cell arrangement, this continuous pumping action increases the pressure at the compressor cathode of the at least one compressor in the compressor discharge area of the at least one compressor.
Zwischen der Verdichteranode und dem Verdichter-Zufuhrbereich des mindestens einen Verdichters sowie zwischen der Verdichterkathode und dem Verdichter-Abfuhrbereich des mindestens einen Verdichters kann ebenfalls jeweils eine Gasdiffusionsschicht angeordnet werden, die zur gleichmäßigen Verteilung der Reaktanten, hier der erzeugte zu verdichtende Wasserstoff und des Produkts, hier der verdichtete Wasserstoff, dient.Between the compressor anode and the compressor supply area of the at least one compressor and between the compressor cathode and the compressor discharge area of the at least one compressor, a gas diffusion layer can also be arranged in each case, which for the uniform distribution of the reactants, here the generated hydrogen to be compressed and the product, here the compressed hydrogen is used.
Bevorzugt ist eine gasdurchlässige Schicht zwischen dem Elektrolyseur-Abfuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs und dem Verdichter-Zufuhrbereich des mindestens einen Verdichters angeordnet. Diese gasdurchlässige Schicht dient sowohl zur gleichmäßigen Verteilung des durch den mindestens einen Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs an die Verdichteranode des mindestens einen Verdichters, als auch zur elektrischen Trennung des mindestens einen Elektrolyseurs und des mindestens einen V erd ichters.A gas-permeable layer is preferably arranged between the electrolyzer discharge area of the at least one electrolyzer and the compressor supply area of the at least one compressor. This gas-permeable layer serves both for the uniform distribution of the hydrogen generated by the at least one electrolyser to the compressor anode of the at least one compressor and for the electrical separation of the at least one electrolyser and the at least one compressor.
Vorzugsweise weist das Gehäuse eine dritte Anschlussstelle zur Abführung von Sauerstoff auf, welcher durch Elektrolyse des aufzuspaltenden Wassers in dem Elektrolyseur-Zufuhrbereich des mindestens einen Elektrolyseurs entstanden ist. Der Sauerstoff kann beispielsweise als Oxidationsmittel direkt zu einer Brennstoffzelle oder zu einem Speicher über die dritte Anschlussstelle überführt werden. Der Sauerstoff kann aber auch über die dritte Anschlussstelle in die Umwelt abgegeben und verworfen werden.The housing preferably has a third connection point for the discharge of oxygen which has arisen as a result of electrolysis of the water to be split in the electrolyser supply area of the at least one electrolyser. The oxygen can, for example, be transferred as an oxidizing agent directly to a fuel cell or to a storage device via the third connection point. However, the oxygen can also be released into the environment via the third connection point and discarded.
Bevorzugt umfasst das Gehäuse eine vierte Anschlussstelle, die zur Abführung des durch den mindestens einen Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs vom Elektrolyseur-Abfuhrbereich dient. Dieser Wasserstoff kann beispielsweise als Brennstoff direkt zu einer Brennstoffzelle oder zu einem weiteren Speicher über die vierte Anschlussstelle überführt werden, ohne durch den mindestens einen Verdichter verdichtet zu werden.The housing preferably comprises a fourth connection point which serves to discharge the hydrogen generated by the at least one electrolyser from the electrolyser discharge area. This hydrogen can, for example, be transferred as fuel directly to a fuel cell or to a further storage device via the fourth connection point without being compressed by the at least one compressor.
Vorzugsweise umfasst das Gehäuse eine fünfte Anschlussstelle zur Zuführung von Wasser zur Befeuchtung der Verdichteranode des mindestens einen Verdichters und eine sechste Anschlussstelle zur Abführung des Wassers zur Befeuchtung der Verdichteranode des mindestens einen Verdichters. Aufgrund von Osmoseeffekten durchquert ein Teil des aufzuspaltenden Wassers die Elektrolyseurmembran des mindestens einen Elektrolyseurs und gegebenenfalls auch die gasdurchlässige Schicht zwischen dem mindestens einen Elektrolyseur und dem mindestens einen Verdichter, was einen Wasserüberschuss verursacht. Dieses Wasser kann über die sechste Anschlussstelle abgelassen werden oder wieder zur Befeuchtung der Verdichteranode zugeführt werden. Denkbar ist aber auch, dass dieses Wasser nach Entgasung von Wasserstoff über die sechste Anschlussstelle wieder zur Elektrolyseuranode des mindestens einen Elektrolyseurs zugeführt wird.The housing preferably comprises a fifth connection point for supplying water for humidifying the compressor anode of the at least one compressor and a sixth connection point for discharging the water for humidifying the compressor anode of the at least one compressor. Due to osmosis effects, part of the water to be split crosses the electrolysis membrane of the at least one electrolyser and possibly also the gas-permeable layer between the at least one electrolyser and the at least one compressor, which causes an excess of water. This water can be drained off via the sixth connection point or fed back into the compressor anode for humidification. However, it is also conceivable that this water, after hydrogen has been degassed, is fed back to the electrolysis anode of the at least one electrolyser via the sixth connection point.
Vorteilhaft umfasst das Gehäuse ferner Kanäle zur Durchleitung eines Temperierungsmediums. Dabei dient das Temperierungsmedium zum Kühlen oder Heizen der erfindungsgemäßen Zellanordnung zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff. Hierbei umfasst das Gehäuse zwei weitere Anschlussstellen, die zur Zu- und Abführung des Temperierungsmediums dienen.Advantageously, the housing further comprises channels for the passage of a temperature control medium. The temperature control medium serves to cool or heat the cell arrangement according to the invention for generating and compressing hydrogen. Here, the housing includes two more Connection points that serve to supply and discharge the temperature control medium.
Bevorzugt sind der mindestens eine Elektrolyseur durch eine erste elektrische Energiequelle und der mindestens eine Verdichter durch eine zweite elektrische Energiequelle versorgt, wobei ein erster Versorgungsstrom oder eine erste Versorgungsspannung der ersten elektrischen Energiequelle und ein zweiter Versorgungsstrom oder eine zweite Versorgungsspannung der zweiten elektrischen Energiequelle unabhängig voneinander einstellbar sind. Der mindestens eine Elektrolyseur und der mindestens eine Verdichter können auch durch eine gemeinsame elektrische Energiequelle versorgt werden, wobei die gemeinsame elektrische Energiequelle derart eingerichtet ist, dass der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung für den mindestens einen Elektrolyseur und der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung für den mindestens einen Verdichter unabhängig voneinander einstellbar sind.The at least one electrolyser is preferably supplied by a first electrical energy source and the at least one compressor by a second electrical energy source, a first supply current or a first supply voltage of the first electrical energy source and a second supply current or a second supply voltage of the second electrical energy source being adjustable independently of one another are. The at least one electrolyzer and the at least one compressor can also be supplied by a common electrical energy source, the common electrical energy source being set up such that the supply current or the supply voltage for the at least one electrolyzer and the supply current or the supply voltage for the at least one compressor can be set independently of each other.
Dabei kann der Druck des durch den mindestens einen Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs durch Einstellung des ersten Versorgungsstroms oder der ersten Versorgungsspannung eingestellt werden. Beispielsweise kann der Druck des erzeugten Wasserstoffs auf einen Druck von kleiner als 10 bar eingestellt werden, damit der Wasserstoff direkt nach der Erzeugung zu einer Brennstoffzelle zur Verwendung überführt werden kann. Der Druck des erzeugten Wasserstoffs kann auch auf einen Druck von 10 bar oder mehr, insbesondere auf einen Druck im Bereich von 30 bar bis 100 bar eingestellt werden, damit der erzeugte Wasserstoff nach der Erzeugung zu einem Niederdruckspeicher zur Speicherung überführt werden kann.The pressure of the hydrogen generated by the at least one electrolyser can be adjusted by adjusting the first supply current or the first supply voltage. For example, the pressure of the hydrogen generated can be set to a pressure of less than 10 bar so that the hydrogen can be transferred to a fuel cell for use immediately after generation. The pressure of the hydrogen produced can also be set to a pressure of 10 bar or more, in particular to a pressure in the range from 30 bar to 100 bar, so that the hydrogen produced can be transferred to a low-pressure storage device for storage after it has been produced.
Der Druck des durch den mindestens einen Verdichter verdichteten Wasserstoffs kann dabei durch Einstellung des zweiten Versorgungsstroms oder der zweiten Versorgungsspannung eingestellt werden. Beispielsweise kann der Druck des verdichteten Wasserstoff auf einen Druck von 100 bar oder mehr, insbesondere auf einen Druck im Bereich von 700 bar bis 800 bar eingestellt werden, damit der verdichtete Wasserstoff nach Verdichtung zu einem Hochdruckspeicher zur Speicherung überführt werden kann.The pressure of the hydrogen compressed by the at least one compressor can be adjusted by adjusting the second supply current or the second supply voltage. For example, the pressure of the compressed hydrogen can be set to a pressure of 100 bar or more, in particular to a pressure in the range from 700 bar to 800 bar, so that the compressed hydrogen can be transferred to a high-pressure reservoir for storage after compression.
Vorzugsweise sind die elektrischen Energiequellen jeweils als eine Gleichstromquelle ausgebildet, deren Versorgungsstrom einstellbar ist.The electrical energy sources are preferably each designed as a direct current source, the supply current of which is adjustable.
Der mindestens eine Elektrolyseur kann auf seiner Anodenseite sowie Kathodenseite jeweils mit einer Platte versehen sein, die der Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit zugewandt ist und kanalartige Strukturen aufweist. Die anodenseitige und die kathodenseitige Platte können dabei jeweils als ein stützendes Element für die Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit, das zur elektrischen, flächigen Kontaktierung dient, ausgebildet werden. Dabei dienen die anodenseitigen kanalartigen Strukturen zur Zuführung des aufzuspaltenden Wasser an die Elektrolyseuranode und ggf. an die anodenseitige Gasdiffusionsschicht sowie zur Abführung des durch Elektrolyse erzeugten Sauerstoffs von der Elektrolyseuranode und ggf. von der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht, während die kathodenseitigen kanalartigen Strukturen zur Abführung des erzeugten Wasserstoffs sowie des aufgrund von Osmoseeffekten durch die Elektrolyseurmembran durchquerten Wassers von der Elektrolyseurkathode und ggf. der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht dienen. The anode side and cathode side of the at least one electrolyzer can each be provided with a plate which faces the electrolyzer-membrane-electrode unit and has channel-like structures. The plate on the anode side and the cathode side can each be designed as a supporting element for the electrolyzer-membrane-electrode unit, which is used for electrical, two-dimensional contacting. The channel-like structures on the anode side serve to supply the water to be split to the electrolysis anode and, if necessary, to the gas diffusion layer on the anode side and to remove the oxygen generated by electrolysis from the electrolysis anode and possibly from the gas diffusion layer on the anode side, while the channel-like structures on the cathode side are used to remove the hydrogen generated as well as the water from the electrolyzer cathode and possibly the gas diffusion layer on the cathode side which has passed through the electrolysis membrane due to osmosis effects.
Die anodenseitige und kathodenseitige Platte können ferner Strukturen zur Durchleitung eines Temperierungsmediums durch den Elektrolyseur aufweisen.The anode-side and cathode-side plate can also have structures for passing a temperature control medium through the electrolyzer.
Sind mehrere Elektrolyseure mechanisch hintereinander zu einem Elektrolyseurstapel angeordnet, können Bipolarplatten zwischen den einzelnen Elektrolyseuren verwendet werden. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Zuführung des aufzuspaltenden Wassers an die Elektrolyseuranode sowie zur Abführung des erzeugten Wasserstoffs von der Elektrolyseurkathode auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des aufgrund von Osmoseeffekten durch die Elektrolyseurmembran durchquerten Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung eines Temperierungsmediums durch den Elektrolyseur aufweisen.If several electrolyzers are mechanically arranged one behind the other to form an electrolyzer stack, bipolar plates can be used between the individual electrolyzers. The bipolar plates have, for example, channel-like structures for supplying the water to be split to the electrolysis anode and for removing the generated hydrogen from the electrolysis cathode. The channel-like structures also serve to divert the water that has passed through the electrolysis membrane due to osmosis effects. The bipolar plates can also have structures for passing a temperature control medium through the electrolyzer.
Die mehreren mechanisch hintereinander zu dem Elektrolyseurstapel angeordneten Elektrolyseure sind dabei fluidisch parallel zueinander geschaltet und können elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden. Bevorzugt werden die Elektrolyseure parallel zueinander geschaltet.The multiple electrolyzers arranged mechanically one behind the other to form the electrolyzer stack are fluidically connected in parallel to one another and can be connected electrically in series or in parallel to one another. The electrolysers are preferably connected in parallel to one another.
Der mindestens eine Verdichter kann ebenfalls auf seiner Anodenseite sowie Kathodenseite jeweils mit einer Platte versehen sein, die der Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit zugewandt ist und kanalartige Strukturen aufweist. Die anodenseitige und die kathodenseitige Platte können dabei jeweils als ein stützendes Element für die Verdichter-Membran-Elektroden-Einheiten, das zur elektrischen, flächigen Kontaktierung dient, ausgebildet werden. Dabei dienen die anodenseitigen kanalartigen Strukturen zur Zuführung des zu verdichtenden Wasserstoffs an die Verdichteranode und ggf. an die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, während die kathodenseitigen kanalartigen Strukturen zur Abführung des verdichteten Wasserstoffs sowie des aufgrund von Osmoseeffekten durch die Verdichtermembran durchquerten Wassers von der Verdichterkathode und ggf. der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht dienen. Die anodenseitige und kathodenseitige Platte können ferner Strukturen zur Durchleitung eines Temperierungsmediums durch den Verdichter aufweisen.The at least one compressor can also be provided with a plate on its anode side and cathode side, which faces the compressor-membrane-electrode unit and has channel-like structures. The plate on the anode side and the cathode side can each be designed as a supporting element for the compressor membrane electrode units, which is used for electrical, two-dimensional contact. The channel-like structures on the anode side serve to supply the hydrogen to be compressed to the compressor anode and, if necessary, to the gas diffusion layer on the anode side, while the channel-like structures on the cathode side serve to remove the compressed hydrogen and the water that has passed through the compressor membrane due to osmosis effects Compressor cathode and possibly the cathode-side gas diffusion layer are used. The anode-side and cathode-side plate can also have structures for passing a temperature control medium through the compressor.
Werden mehrere Verdichter zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs eingesetzt, so können sie mechanisch hintereinander zu einem Verdichterstapel angeordnet werden.If several compressors are used to compress the hydrogen produced, they can be mechanically arranged one behind the other to form a compressor stack.
Die mehreren mechanisch hintereinander zu dem Verdichterstapel angeordneten Verdichter können dabei fluidisch parallel zueinander geschaltet werden. Dabei wird der erzeugte Wasserstoff einstufig verdichtet. Hierbei können Bipolarplatten zwischen den einzelnen Verdichtern verwendet werden. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des erzeugten Wasserstoffs an die Verdichteranode sowie zur Abführung des verdichteten Wasserstoffs von der Verdichterkathode auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des Wassers Befeuchtung der Verdichteranode. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung eines Temperierungsmediums durch den Verdichter aufweisen.The multiple compressors arranged mechanically one behind the other to form the compressor stack can be fluidically connected in parallel to one another. The hydrogen produced is compressed in one stage. Bipolar plates can be used between the individual compressors. The bipolar plates have, for example, channel-like structures for distributing the hydrogen generated to the compressor anode and for discharging the compressed hydrogen from the compressor cathode. The channel-like structures also serve to drain off the water, moistening the compressor anode. The bipolar plates can also have structures for passing a temperature control medium through the compressor.
Um den erzeugten Wasserstoff mehrstufig zu verdichten, können die mehreren mechanisch hintereinander zu dem Verdichterstapel angeordneten Verdichter fluidisch in Reihe geschaltet werden. Somit kann ein zu großer Druckunterschied an der Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit des Verdichters bei nur einer Druckstufe vermieden werden. In diesem Fall ist die Anwendung von Bipolarplatten nicht erforderlich.In order to compress the generated hydrogen in multiple stages, the multiple compressors arranged mechanically one behind the other to form the compressor stack can be fluidically connected in series. In this way, too great a pressure difference at the compressor-membrane-electrode unit of the compressor can be avoided with only one pressure level. In this case, the use of bipolar plates is not necessary.
Die mehreren mechanisch hintereinander angeordneten und gestapelten Verdichter können dabei elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden. Bevorzugt werden die Verdichter parallel zueinander geschaltet.The multiple compressors, which are mechanically arranged one behind the other and stacked, can be connected electrically in series or in parallel with one another. The compressors are preferably connected in parallel to one another.
Der Elektrolyseurstapel und der Verdichterstapel können vorteilhaft aneinander gesetzt werden und einen Gesamtstapel bilden. Die einzelnen Elektrolyseure des Elektrolyseurstapels und die einzelnen Verdichter des Verdichterstapels werden dabei mit Spannplatten an den jeweiligen Enden des Elektrolyseurstapels und des Verdichterstapels zusammengebaut. Zwischen dem Elektrolyseurstapel und dem Verdichterstapel kann eine Adapterplatte angeordnet werden.The electrolyzer stack and the compressor stack can advantageously be placed next to one another and form an overall stack. The individual electrolyzers of the electrolyzer stack and the individual compressors of the compressor stack are assembled with clamping plates at the respective ends of the electrolyzer stack and the compressor stack. An adapter plate can be arranged between the electrolyzer stack and the compressor stack.
Mehrere erfindungsgemäße Zellanordnungen können parallel zueinander geschaltet werden. Dabei können die erfindungsgemäßen Zellanordnungen einzeln angesteuert werden.Several cell arrangements according to the invention can be connected in parallel to one another. The cell arrangements according to the invention can be controlled individually.
Ferner wird ein Energieversorgungssystem vorgeschlagen, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung und mindestens eine Brennstoffzelle umfasst. Das Energieversorgungssystem kann ferner eine erste und eine zweite elektrische Energiequelle umfassen, wobei die erste elektrische Energiequelle für den mindestens einen Elektrolyseur vorgesehen ist und die zweite elektrische Energiequelle für den mindestens einen Verdichter vorgesehen ist. Alternativ kann das Energieversorgungssystem eine gemeinsame elektrische Energiequelle aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung für den mindestens einen Elektrolyseur und der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung für den mindestens einen Verdichter unabhängig voneinander einstellbar sind.Furthermore, an energy supply system is proposed which comprises at least one cell arrangement according to the invention and at least one fuel cell. The energy supply system can furthermore comprise a first and a second electrical energy source, the first electrical energy source being provided for the at least one electrolyzer and the second electrical energy source being provided for the at least one compressor. Alternatively, the energy supply system can have a common electrical energy source which is set up such that the supply current or the supply voltage for the at least one electrolyzer and the supply current or the supply voltage for the at least one compressor can be set independently of one another.
Das Energieversorgungssystem kann aber eine elektrische Anschlussstelle aufweisen, mittels der die erfindungsgemäße Zellanordnung mit einer externen elektrischen Energiequelle elektrisch verbunden werden kann. Die externe elektrische Energiequelle ist dabei derart eingerichtet, dass der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung für den mindestens einen Elektrolyseur und der Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung für den mindestens einen Verdichter unabhängig voneinander einstellbar sind.The energy supply system can, however, have an electrical connection point, by means of which the cell arrangement according to the invention can be electrically connected to an external electrical energy source. The external electrical energy source is set up in such a way that the supply current or the supply voltage for the at least one electrolyzer and the supply current or the supply voltage for the at least one compressor can be set independently of one another.
Es wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst oder das ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem umfasst.A motor vehicle is also proposed which comprises at least one cell arrangement according to the invention or which comprises an energy supply system according to the invention.
Stationäre Anwendungen der erfindungsgemäßen Zellanordnung oder des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems, beispielsweise zur Erzeugung und Verdichtung von Wasserstoff bei einer Tankstelle oder bei einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, sind auch denkbar.Stationary applications of the cell arrangement according to the invention or the energy supply system according to the invention, for example for generating and compressing hydrogen at a filling station or at a power station for generating electrical energy, are also conceivable.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung können die Komponenten des Elektrolyseurs und des Verdichters bei kontinuierlichem Wasserstoffbedarf optimiert ausgenutzt werden. Einerseits kann der Wasserstoff bei einem kontinuierlichen Wasserstoffbedarf bedarfsorientiert erzeugt werden. Dabei kann der erzeugte Wasserstoff direkt nach der Erzeugung ohne vorherige, energieintensive Verdichtung, Reinigung, Speicherung und Entspannung entnommen werden. Andererseits, wenn kein permanenter Wasserstoffverbraucher vorliegt, kann der erzeugte Wasserstoff direkt durch den als elektrochemischer Kompressor ausgebildeten Verdichter zur Speicherung verdichtet werden. Dadurch werden die Kosten zur Erzeugung von Wasserstoff reduziert.With the cell arrangement according to the invention, the components of the electrolyzer and the compressor can be optimally used when there is a continuous need for hydrogen. On the one hand, the hydrogen can be generated as required if there is a continuous need for hydrogen. The hydrogen generated can be withdrawn directly after generation without prior, energy-intensive compression, cleaning, storage and expansion. On the other hand, if there is no permanent hydrogen consumer, the hydrogen produced can be compressed directly for storage by the compressor designed as an electrochemical compressor. This reduces the cost of producing hydrogen.
Durch den auf PEM basierenden Elektrolyseur ist der erzeugte Wasserstoff bereits befeuchtet für die Verdichtung mittels eines als elektrochemischer Kompressor ausgestalteten Verdichters. Dies reduziert auch die Betriebskosten des Verdichters.Due to the PEM-based electrolyser, the hydrogen produced is already humidified for compression by means of a compressor designed as an electrochemical compressor. This also reduces the operating costs of the compressor.
Vorteilhaft kann der Druck des erzeugten Wasserstoffs mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung eingestellt werden. Dabei kann der Druck des erzeugten Wasserstoffs auf einen Druck von beispielsweise kleiner als 10 bar eingestellt werden, damit der Wasserstoff nach der Erzeugung direkt durch eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft kann der Druck des erzeugten Wasserstoffs auch auf einen Vordruck des Verdichters, der beispielsweise zwischen 30 bar und 100 bar liegt, zur Erleichterung der weiteren Verdichtung durch den als elektrochemischer Kompressor ausgestalteten Verdichter eingestellt werden. Der Wasserstoff mit diesem Druck kann auch in einem Niederdruckspeicher zur Speicherung überführt werden.The pressure of the hydrogen generated can advantageously be set with the cell arrangement according to the invention. The pressure of the hydrogen generated can be set to a pressure of less than 10 bar, for example, so that the hydrogen can be used directly by a fuel cell to generate electrical energy after generation. Particularly advantageously, the pressure of the hydrogen generated can also be set to a pre-pressure of the compressor, which is, for example, between 30 bar and 100 bar, to facilitate further compression by the compressor designed as an electrochemical compressor. The hydrogen at this pressure can also be transferred to a low-pressure reservoir for storage.
Darüber hinaus kann durch das Anordnen eines auf PEM basierenden Elektrolyseurs und eines als elektrochemischer Kompressor ausgestalteten Verdichter ein einziges Temperierungssystem zum Kühlen oder Heizen der erfindungsgemäßen Zellanordnung ausgelegt werden. Weiterhin wird die Abdichtung der erfindungsgemäßen Zellanordnung zum Umwelt vereinfacht. Somit werden die Herstellungskosten auch reduziert.In addition, by arranging a PEM-based electrolyzer and a compressor designed as an electrochemical compressor, a single temperature control system can be designed for cooling or heating the cell arrangement according to the invention. Furthermore, the sealing of the cell arrangement according to the invention from the environment is simplified. Thus, the manufacturing costs are also reduced.
Ferner kann die Reinheit, insbesondere die Wasserfreiheit des Wasserstoffs an der Verdichterkathode über den Druck beeinflusst werden. Je höher der Druck ist, desto trockener ist der Wasserstoff. Umgekehrt kann durch eine Zugabe von Wasser an der Verdichterkathode und die entstehende Abwärme von beispielsweise 80°C eine Befeuchtung des Wasserstoffs vorgenommen werden. Eine solche Befeuchtung kann für die Verdichtermembran vorteilhaft sein. Die Feuchte ist dabei über den Druck regelbar. Die erfindungsgemäße Zellanordnung arbeitet dabei auch sehr geräuscharm.Furthermore, the purity, in particular the absence of water, of the hydrogen at the compressor cathode can be influenced via the pressure. The higher the pressure, the drier the hydrogen. Conversely, by adding water to the compressor cathode and the resulting waste heat of, for example, 80 ° C., the hydrogen can be humidified. Such humidification can be advantageous for the compressor membrane. The humidity can be regulated via the pressure. The cell arrangement according to the invention also works very quietly.
FigurenlisteFigure list
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 eine schematische Darstellung einer Zellanordnung gemäß einer ersten Ausgestaltung und -
2 eine schematische Darstellung einer Zellanordnung gemäß einer zweiten Ausgestaltung.
-
1 a schematic representation of a cell arrangement according to a first embodiment and -
2 a schematic representation of a cell arrangement according to a second embodiment.
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, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, with a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Dabei umfasst die Zellanordnung
Im Gehäuse
Dabei weist der Elektrolyseur
Der Verdichter
Der Elektrolyseur
Im Betrieb des Elektrolyseurs
Zwischen der Elektrolyseuranode
Im Betrieb des Verdichters
Zwischen der Verdichteranode
Der Elektrolyseur-Abfuhrbereich
Zwischen dem Elektrolyseur-Abfuhrbereich
Das Gehäuse
Weiterhin weist das Gehäuse
Das Gehäuse
Das Gehäuse
In
Die Elektrolyseuranode
Die Verdichteranode
Ein Vorteil der Verwendung von zwei elektrischen Energiequellen
Vorzugsweise können die erste und die zweite elektrische Energiequelle
Der Druck des durch den Elektrolyseur
Der Druck des durch den Verdichter
In
Dabei umfasst die Zellanordnung
Im Gehäuse
Dabei weisen die beiden Elektrolyseure
Zwischen den beiden Elektrolyseuren
Die beiden Verdichter
Die Elektrolyseur-Abfuhrbereiche
Zwischen einem zweiten Elektrolyseur-Abfuhrbereich
Das Gehäuse
Weiterhin weist das Gehäuse
Das Gehäuse
Das Gehäuse
In
Die jeweiligen Elektrolyseuranoden
Die jeweiligen Verdichteranoden
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 restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102019217219.9A DE102019217219A1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Cell arrangement for the generation and compression of hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102019217219.9A DE102019217219A1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Cell arrangement for the generation and compression of hydrogen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102019217219A1 true DE102019217219A1 (en) | 2021-05-12 |
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ID=75583838
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102019217219.9A Pending DE102019217219A1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Cell arrangement for the generation and compression of hydrogen |
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| Country | Link |
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| DE (1) | DE102019217219A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102021208137A1 (en) | 2021-07-28 | 2023-02-02 | Argo Gmbh | Electrolysis cell with temperature control device, electrolyzer stack having a temperature control device, electrolysis system having the electrolyzer stack and method for temperature control of an electrolyzer stack |
| AT526100A1 (en) * | 2022-05-10 | 2023-11-15 | Hoerbiger Wien Gmbh | Device for providing hydrogen |
| US12095126B2 (en) | 2020-11-24 | 2024-09-17 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of controlling hydrogen/oxygen producing system and hydrogen/oxygen producing system |
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2019
- 2019-11-07 DE DE102019217219.9A patent/DE102019217219A1/en active Pending
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