DE-102024210656-A1 - Stack zur Gasabscheidung

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Stack (1), insbesondere zur Gasabscheidung, umfassend mindestens zwei elektrochemische Zellen (2). Dabei weist jede elektrochemische Zelle (2) mehrere Lagen (3) auf, insbesondere eine Anode (4), eine Kathode (5) sowie einen die Anode (4) von der Kathode (5) trennenden Separator (6). Erfindungsgemäß bilden jeweils zwei elektrochemische Zellen (2) ein Zellpaar (7) aus, dessen Zellen (2) derart orientiert sind, dass entweder die Kathoden (5) oder die Anoden (4) einander zugewandt sind, wobei zwischen zwei Kathoden (5) eines Zellpaares (7) oder den Kathoden (5) zweier aufeinanderliegender Zellpaare (7) eine Bipolarplatte (8) angeordnet ist, über die beiden Kathoden (5) ein Gas oder Gasgemisch zuführbar ist.

Inventors

• Nadja Eisenmenger
• Kaz Puttenaers
• Anne-Kathrin Maier
• Maxime Carre

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (9)

1. Stack (1), insbesondere zur Gasabscheidung, umfassend mindestens zwei elektrochemische Zellen (2), wobei jede elektrochemische Zelle (2) mehrere Lagen (3) aufweist, insbesondere eine Anode (4), eine Kathode (5) sowie einen die Anode (4) von der Kathode (5) trennenden Separator (6), dadurch gekennzeichnet , dass jeweils zwei elektrochemische Zellen (2) ein Zellpaar (7) ausbilden, dessen Zellen (2) derart orientiert sind, dass entweder die Kathoden (5) oder die Anoden (4) einander zugewandt sind, wobei zwischen zwei Kathoden (5) eines Zellpaares (7) oder den Kathoden (5) zweier aufeinanderliegender Zellpaare (7) eine Bipolarplatte (8) angeordnet ist, über die beiden Kathoden (5) ein Gas oder Gasgemisch zuführbar ist.
2. Stack (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass zwischen zwei Anoden (4) eines Zellpaares (7) oder den Anoden (4) zweier aufeinanderliegender Zellpaare (7) eine Trennlage (9) zur stofflichen, elektrischen und ionischen Trennung der Anoden (4) angeordnet ist.
3. Stack (1) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Trennlage (9) beidseitig eine elektrisch leitfähige Beschichtung (10) zur Verbindung mit einer Spannungsquelle (11), vorzugsweise mit einer Leistungselektronik, aufweist.
4. Stack (1) nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass eine elektrisch leitfähige Beschichtung (10) einer ersten Trennlage (9) sowie eine elektrisch leitfähige Beschichtung (10) einer zweiten Trennlage (9) über einen gemeinsamen elektrischen Leiter (12) mit der Spannungsquelle (11) verbunden sind.
5. Stack (1) nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine elektrisch leitfähige Beschichtung (10) einer Trennlage (9) eines ersten Zellpaares (7) mit der Bipolarplatte (8) eines weiteren Zellpaares (7) über einen gemeinsamen elektrischen Leiter (12) verbunden ist.
6. Stack (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die zwischen zwei Anoden (4) angeordnete Trennlage (9) einen seitlichen Überstand gegenüber den Anoden (4) aufweist.
7. Stack (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Anoden (4) zweier aufeinanderliegender Zellen (2) oder Zellpaare (7) jeweils flächig an der gemeinsamen Trennlage (9) anliegen.
8. Stack (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die zwischen zwei Kathoden (5) angeordnete Bipolarplatte (8) einen seitlichen Überstand gegenüber den Kathoden (5) aufweist.
9. Stack (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Bipolarplatte (8) beidseitig Strömungskanäle (13) für das den Kathoden (5) zuzuführende Gas oder Gasgemisch ausbildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stack zur Gasabscheidung, aufweisend mindestens zwei elektrochemische Zellen. Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind elektrochemische Systeme bzw. Anlagen zur Kohlenstoffdioxidabscheidung. Stand der Technik Elektrochemische Zellen, welche zur Gasabscheidung genutzt werden, weisen typischerweise zwei beschichtete Elektroden auf, welche elektrisch verschaltet und durch einen Separator getrennt sind. Sowohl der Separator als auch mindestens eine Elektrode sind üblicherweise mit einem Elektrolyten getränkt bzw. von einem Elektrolyten umgeben, welcher den Ladungsausgleich innerhalb der elektrochemischen Zelle sicherstellt. Im Betrieb der Zellen wird diesen ein Gasstrom zugeführt, der ein abzuscheidendes Gas, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, enthält. Das abzuscheidende Gas wird an einer Elektrode der beiden Elektroden, und zwar einer kathodenseitigen Elektrode, in einem elektrochemischen Prozess gebunden. Die Gasabscheidung kann durch eine Änderung der Temperatur, des Drucks oder der elektrischen Spannung initiiert werden. Der Vorgang ist reversibel, das heißt, dass durch Rückkehr auf den Ausgangszustand eine Umpolung erfolgt, so dass die Kathode zur Anode bzw. die Anode zur Kathode wird und es zu einer kontrollierten Freisetzung des zuvor gebundenen Gases kommt. Neben den Elektroden und dem zwischenliegenden Separator weisen elektrochemische Zellen in der Regel Bipolarplatten als weitere Lagen auf. Diese bilden außenliegende Lagen aus, und weisen beidseitig Strömungskanäle für die Zuführung des Gasgemischs bzw. des Elektrolyten auf. Die Bipolarplatten trennen demnach die jeweils eine kathodenseitige Elektrode einer ersten Zelle von einer anodenseitigen Elektrode einer benachbarten Zelle. Um die Effizienz und die Menge an gebundenem Gas zu erhöhen, wird in praktischen Anwendungen eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen gestapelt und insbesondere über die Bipolarplatten elektrisch verbunden. Ein solcher Zellstapel wird auch Stack genannt. Die hohe Anzahl elektrochemischer Zellen in einem Stack führt zu großen Dimensionen und einem hohen Gewicht. Dies wiederum führt bei Anlagen mit einer Größen- und/oder Gewichtsbeschränkung zu einer Limitierung der Leistung des Stacks. Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Leistung eines Stacks bei gleichbleibenden Abmessungen zu steigern oder die Leistung bei reduzierten Abmessungen zu erhalten. Zur Lösung der Aufgabe wird der Stack mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Der Einfachheit halber wird nachfolgend die Elektrode einer elektrochemischen Zelle als „Kathode“ bezeichnet, über die während der Gasabscheidung das abzuscheidende Gas gebunden wird. Als „Anode“ wird die jeweils andere Elektrode bezeichnet. Das heißt, dass die Begriffe nicht geändert werden, gleichwohl in der Phase der Umpolung, die als „Kathode“ bezeichnete Elektrode zur Anode und die als „Anode“ bezeichnete Elektrode zur Kathode wird. Offenbarung der Erfindung Vorgeschlagen wird ein Stack, insbesondere zur Gasabscheidung, umfassend mindestens zwei elektrochemische Zellen. Dabei weist jede elektrochemische Zelle mehrere Lagen auf, insbesondere eine Anode, eine Kathode sowie einen die Anode von der Kathode trennenden Separator. Erfindungsgemäß bilden jeweils zwei elektrochemische Zellen ein Zellpaar aus, dessen Zellen derart orientiert sind, dass entweder die Kathoden oder die Anoden einander zugewandt sind, wobei zwischen zwei Kathoden eines Zellpaares oder den Kathoden zweier aufeinanderliegender Zellpaare eine Bipolarplatte angeordnet ist, über die beiden Kathoden ein Gas oder Gasgemisch zuführbar ist. In herkömmlichen Stacks sind die elektrochemischen Zellen derart orientiert, dass die Kathode einer ersten elektrochemischen Zelle einer Anode einer benachbarten elektrochemischen Zelle zugewandt ist, wobei zwischen diesen eine Strömungskanäle ausbildende Bipolarplatte angeordnet ist. Demgegenüber sind die elektrochemischen Zellen eines erfindungsgemäßen Stacks so orientiert, dass jeweils die Lagen eines Zellpaares gespiegelt zueinander angeordnet sind. Das heißt, dass die Lagen der ein Zellpaar bildenden elektrochemischen Zellen jeweils in umgekehrter Reihenfolge gestapelt sind, so dass entweder die Kathoden oder die Anoden der beiden Zellen einander zugewandt sind. In dem Fall, dass die Kathoden einander zugewandt und durch eine zwischenliegende Bipolarplatte voneinander getrennt sind, können beide Kathoden über eine einzige Bipolarplatte mit einem Gas oder Gasgemisch versorgt werden. Hierdurch kann die Anzahl an Bipolarplatten pro Zellpaar reduziert, insbesondere halbiert, werden. Dies führt zu einer signifikanten Dickenreduzierung der elektrochemischen Zellen eines Zellpaares bzw. des gesamten Stacks. Weiterhin wird das Gewicht des Stacks reduziert. Beide Effekte ermöglichen eine höhere Anzahl an elektrochemischen Zellen pro Stack bei g