Rahmen für eine Zelle eines Reaktors einer Redox-Durchflussbatterie
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Rahmen für eine Zelle eines Reaktors einer Redox-Durchflussbatterie, wobei der Rahmen aus einem Elastomer geformt ist und zwei Stirnflächen aufweist, die zumindest teilweise als Dichtflächen ausgebildet sind und in zumindest einer Stirnfläche ein Kanal zum Zu- oder Abführen von Flüssigkeit zur Zelle vorgesehen ist, sowie eine Zelle bestehen aus zwei solcher Rahmen, einem Modul bestehend aus einer Mehrzahl solcher Rahmen und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Rahmens.
Zellen eines Reaktors einer Redox-Durchflussbatterie bestehen in der Regel aus zwei nebeneinander liegenden Halbzellen, wobei jede Halbzelle aus je einem Rahmen gebildet ist, der eine Öffnung aufweist,
in der jeweils eine Elektrode angeordnet ist und die Halbzellen zumindest im Bereich der Öffnung durch eine semipermeable Membran getrennt sind. Die beiden Halbzellen werden dabei durch zwei Elektrolytflüssigkeiten durchströmt, wobei durch elektro-chemische Vorgänge elektrischer Strom erzeugt wird, der über die Elektroden abgegriffen wird. Bei einigen Typen von Redox-Durchflussbatterien, wie z.B. ein Vanadium-
Redox-Durchflussbatterie oder einer Vanadium/Polyhalid-Batterie, sind die beiden Elektrolytflüssigkeiten chemisch weitgehend ähnlich bzw. weisen nur einen anderen Oxidationszustand auf (z.B. V<2>* und V<3>*, V02<+>und V0<+>). Dieser Vorgang kann auch umgekehrt werden, womit die Elektrolytflüssigkeit (bzw. die Batterie) geladen wird.
Mehrere solche Zellen werden in einer Redox-Durchflussbatterie zu einem Modul zusammengefasst, indem die einzelnen Zellen nebeneinander angeordnet werden, um eine höhere Leistung bzw. Spannung zu erreichen. Die einzelnen Zellen werden dabei durch bipolare Platten voneinander getrennt. Solche Anordnungen sind in unterschiedlichsten Ausführungen hinlänglich bekannt.
Ein entscheidendes Designkriterium für solche Zellen ist die Dichtheit zwischen den beiden Elektrolytflüssigkeiten, da es bei Leckagen, also bei Querströmungen in den Zellen zwischen den beiden Halbzeiten oder externen Leckagen, zu Funktions-, Leistungs- bzw. Wirkungsgradeinbussen in der Redox-Durchflussbatterie kommt.
Kritisch ist dabei die Abdichtung zwischen den beiden Halbzellen, also zwischen den beiden Rahmen bzw. zwischen Rahmen und semipermeabler Membran, aber auch zwischen zwei nebeneinander liegenden Zellen in einem Modul. Um ausreichende Dichtheit zwischen zwei Halbzellen zu erreichen, finden sich im Stand der Technik unterschiedliche Ansätze.
Frühe Ausführungen solcher Redox-Durchflussbatterien verwenden ElastomerRahmen, in denen die Elektroden angeordnet sind, und die durch eine Membran getrennt sind. Ein Beispiel dafür ist die JP 63-298977 A. Zwei benachbarte Zellen werden dabei durch bipolare Platten voneinander getrennt. Die Zellen werden durch eine Spannkraft zu sammengepresst, wodurch ausreichende Dichtheit zwischen den aneinander liegenden Rahmen auch ohne Notwendigkeit des Verklebens der Rahmen gewährleistet werden kann.
Die Zuführung der Elektrolytflüssigkeit zu den Zellen erfolgt dabei jedoch durch axial ausgerichtete, röhrenförmige Ansätze an den Rahmen, Membranen und bipolaren Platten, durch die die Elektrolytflüssigkeiten zu- und abgeführt werden. Die Zu- und Abführungen können aber auch in die Elastomer-Rahmen integriert sein. Diese Ausführung hat jedoch den Nachteil, dass die Zu- und Abführung der Elektrolytflüssigkeit zu den Elektroden durch nachträglich gefertigte Verbindungsbohrungen von den röhrenförmigen Ansätzen zu den Elektroden verwirklicht werden muss, was einen erhöhten Fertigungsaufwand bedingt. Ausserdem bilden diese Ansätze eine Schwachstelle in der Dichtheit der Zellen, wenn die Spannkraft nicht direkt auf die Ansätze aufgebracht werden kann.
Durch die Notwendigkeit, solche Ansätze auch an den Membranen und bipolaren Platten anzuordnen, weisen solche Zellen auch eine grosse Baulänge auf, was sich natürlich negativ auf die Baugrösse einer RedoxDurchflussbatterie auswirkt.
Andere Designs verwenden unterschiedliche zusätzliche Dichtelemente, um eine Abdichtung zwischen den Teilen einer Zelle zu bewirken.
Bei dem in der JP 08-007913 A2 gezeigten Ansatz wird eine Halbzelle aus fünf Rahmen gebildet, wobei ein PVC-Rahmen die bipolare Platte aus Karbon beinhaltet, ein PVCRahmen, in dem die Elektrode angeordnet ist, zur Zu- und Abfuhr der Elektrolytflüssigkeit dient und der PVC-Rahmen mit bipolarer Platte, der PVC-Rahmen zur Zu- und Abfuhr der Elektrolytflüssigkeit und die Membran durch jeweils eine Trennplatte aus Ethylen-PropylenGummi (EPR) getrennt werden.
Diese EPR-Trennplatte dient gleichzeitig auch als Dichtung zwischen den PVC-Rahmen bzw. zwischen PVC-Rahmen und Membran der Halbzelle. Durch diesen Aufbau einer Halbzelle und der Anzahl der Einzelteile wird die Konstruktion einer Zelle und damit einer Redox-Durchflussbatterie aufwendig. Ausserdem wird dadurch der Aufwand zum Zusammenstellen einer Zelle bzw. einer ganzen Redox-Durchflussbatterie bzw. die Fehleranfälligkeit beim Zusammenstellen erheblich erhöht.
Eine weitere solche Ausführung zeigt z.B. die EP 870342 A1 , die Rahmen aus einem thermoplastischen Material (wie z.B. Polystyren, Polymethylmetacrylat oder Polycarbonat) betrifft, die Ausnehmungen und Erhebungen aufweisen, die in einer Art Nut und Federsystem zusammenwirken.
Die Erhebungen sind dabei etwas grösser ausgeführt als die Ausnehmungen, sodass beim Zusammenpressen der deformierbaren Rahmen entlang den Ausnehmungen und Erhebungen eine Dichtung zwischen den beiden Rahmen entsteht. Diese Dichtung wird dabei natürlich notwendigerweise entlang des gesamten Umfangs eines Rahmens ausgeführt. Dieser Veröffentlichung ist jedoch nicht zu entnehmen, wie die Elektrolytflüssigkeiten in den Rahmen zu- bzw. abgeführt werden. Andere Ausführungen verwenden O-Ringe als Dichtelemente zwischen aneinander liegenden Rahmen einer Zelle, wie z.B. in der EP 1 411 575 A1 gezeigt. Dabei werden die ORinge in Nuten eines PVC-Rahmes angeordnet und dichten somit zwischen zwei aneinander liegenden Rahmen.
Die Zu- und Abführung der Elektrolytflüssigkeiten zu den Rahmen erfolgt dabei über Kanäle in den Rahmen.
Diesen bekannten Ausführungen eines Rahmens einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie mit eigenen Dichtelementen ist gemein, dass sie entweder aufwendig in der Fertigung und/oder im Zusammenbau sind oder jeweils ein zusätzliches Dichtelement benötigen, was ebenfalls den Aufwand für eine solche Zelle erhöht.
Aus der Veröffentlichung "Status of the Vanadium battery development program", Menictas C, et al, Electrical Engineering Congress, Sydney, Australia 1994 (abrufbar unter http:
//www.ceic.unsw.edu.au/centers/vrb/eec94a.htm) ist wiederum ein Rahmen aus Santoprene (Elastomer) bekannt, der durch Spritzgiessen hergestellt wird und bei dem die Stirnflächen der Rahmen gleichzeitig als Dichtflächen wirken und somit kein Verkleben oder zusätzliche Dichtungen notwendig sind. Allerdings wurde festgestellt, dass es bei solchen Rahmen hervorgerufen im Wesentlichen durch die Verformung des Rahmens beim Zusammenpressen zu Dichtproblemen, insbesondere im Bereich der in den Stirnflächen angeordneten Kanäle kommen kann, was zu Querströmungen zwischen den Elektrolytflüssigkeiten oder zu einem nach aussen Dringen von Elektrolytflüssigkeit führen kann. Andererseits kann es durch Verformungen auch zu einem Verengen der Kanäle kommen, was wiederum die Funktion beeinträchtigen würde.
Obwohl solche kleinen Leckagen oder geringfügige Verengungen der Kanäle für den Betrieb der Batterie und funktioneil problemlos sein können, führen diese doch zu unerwünschten Wirkungsgrad- und Leistungseinbussen. Im Extremfall, bei besonders grossen Verformungen, kann es aber auch zu einem Ausfall der Batterie kommen, z.B. wenn der Kanal so weit verengt wird, dass nicht genug Elektrolytflüssigkeit durchgeleitet werden kann, oder wenn zu grosse Leckagen bzw.
Leckagen nach aussen auftreten.
Eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es folglich, einen kompakten Rahmen, sowie eine Zelle und einen Modul einer Redox-Durchflussbatterie anzugeben, der einfach zu fertigen ist, eine einfache, sichere und rasche Montage der Rahmen zu einer Zelle bzw. zu einem Modul einer Redox-Durchflussbatterie ermöglicht und eine verbesserte Dichtwirkung ohne Beschränkung der Funktionalität des Rahmens sicherstellt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, indem im Kanal, bevorzugt im Mündungsbereich des Kanals, zumindest eine Rippe vorgesehen ist, die den Kanal in Strömungsrichtung teilt, womit der Kanal (und damit auch der Rahmen selbst) versteift werden kann. Damit wird einerseits verhindert, dass sich der Kanal durch den Anpressdruck verengt bzw. verwölbt, zu mindest wird jedoch dieser Effekt durch die Rippe reduziert.
Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Leckage im Bereich der Kanäle oder einer zu grossen Verengung der Kanäle zumindest reduziert. Im Bereich der Fläche, in der die bipolare Platte den Rahmen berührt, ist der Druck auf den Rahmen grösser als auf die restliche Fläche des Rahmens. Die Rippe dient folglich auch dazu, den Kanal insbesondere in diesem Bereich zu stärken und zu verhindern, dass der Kanal in der Nähe der bipolaren Platte deformiert wird, was ebenfalls zu Leckagen führen könnte.
Durch die Anordnung des Zuführ- oder Abführkanals in der Stirnfläche, kann ein solcher Rahmen sehr einfach gefertigt werden, da dadurch die Fertigung durch ein Warmformverfahren, wie z.B. durch Spritzgiessen, in einem Arbeitsgang möglich ist.
Ein aufwendiges Nachbearbeiten, z.B. zum Bohren von Zuführkanälen, ist damit nicht mehr nötig, da sämtliche Merkmale des Rahmens durch eine entsprechende Gestaltung z.B. der Spritzgussform verwirklicht werden können.
Dadurch, dass der Rahmen erfindungsgemäss aus einem Elastomer gefertigt wird, ist die Stirnfläche zumindest teilweise gleichzeitig auch Dichtfläche. Nach bisher vorherrschender Meinung wurde es für problematisch gehalten, den Zuführ- oder Abführkanal in der Stirnfläche bzw. der Dichtfläche anzuordnen.
Dies ist wohl darauf zurückzuführen, das erkannt wurde, dass sich der elastische Rahmen, vor allem im Bereich des Kanals, der ja eine Schwächung des Rahmens darstellt, unter dem Anpressdruck, der benötigt wird, um eine Dichtfunktion zu erzielen, natürlich verformen oder verwölben wird und damit auch der Strömungsquerschnitt des Zu- oder Abführkanals verengt oder im schlimmsten Fall verschlossen wird und andererseits durch die Verwölbung des Kanals Elektrolytflüssigkeit ausfliessen kann. Deshalb finden sich in jüngeren Veröffentlichungen zu Durchflussbatterien auch grossteils starre Rahmen (z.B. aus einem Thermoplast), da bei diesen dieses Problem nicht auftreten kann. Untersuchungen des Anmelders haben jedoch ergeben, dass ein solcher elastischer Rahmen mit einem in der Stirnfläche bzw.
Dichtfläche eingeformten Kanal mit einer darin angeordneten Rippe die Dichtwirkung eines Rahmens einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie verbessert.
Eine günstige Strömung von Elektrolytflüssigkeit durch den Rahmen kann erzielt werden, wenn in einer Stirnfläche zwei Kanäle vorgesehen sind, die im Rahmen diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Die Rahmen lassen sich einfacher zu einer Zelle bzw. zu einem Modul zusammensetzen, wenn in einer Stirnfläche kein Kanal vorgesehen ist. Diese Fläche kann zudem auch zur Anordnung einer semipermeablen Membran genutzt werden.
Die Elektrode einer Halbzelle wird vorteilhaft in einer im Rahmen vorgesehenen Öffnung angeordnet, in die der Kanal oder die Kanäle münden.
Die Elektrode kann dabei im nicht zusammengedrückten Zustand eine grössere Dicke wie der Rahmen haben, und wird durch das Zusammendrücken der Rahmen auf die im Wesentlichen gleiche Dicke wie der Rahmen zusammengedrückt. Die Elektrolytflüssigkeit kann daher durch die Kanäle einfach der Elektrode zu- bzw. abgeführt werden.
Um eine gleichmässige Verteilung der Elektrolytflüssigkeit in der Öffnung bzw. der Elektrode sicherzustellen, ist im Rahmen ein Verteilkanal vorgesehen, der sich vorzugsweise entlang einer Seite der Öffnung erstreckt und in den ein Kanal mündet und der zur Stirnseite des Rahmens hin offen ist und zur Öffnung hin eine Anzahl von Stegen aufweist. Damit wird verhindert, dass die Elektrode in den Verteilkanal rutscht oder sich in den Verteilkanal hinein verformt, womit eine ungleichmässige Verteilung der Elektrolytflüssigkeit vermieden wird.
Die Stege dienen auch dazu, zu verhindern, dass Fasern aus der Elektrode in den Elektrolytflüssigkeitskreislauf gelangen, was dort zu Blockaden der Pumpen oder zum Verlegen der Leitungen bzw. von Ventilen führen könnte.
In einer um den Umfang der Öffnung herum vorgesehenen Vertiefung kann vorteilhaft eine bipolare Platte angeordnet werden. Durch die Vertiefung wird gleichzeitig eine Zentrierung der Platte möglich, was die für das Zusammenstellen der Zellen vorteilhaft ist.
Durch die Anordnung einer Anzahl von Dichtfingern in der Vertiefung, die vorzugsweise teilweise unterschiedliche Längen aufweisen und die sich vom Rand der Vertiefung zur Öffnung hin erstrecken, wird weiters eine zusätzliche Dichtwirkung erzielt, was die Leistung der Batterie und insbesondere den Wirkungsgrad, im speziellen den Couloumbschen Wirkungsgrad (also wie viel Ladung verfügbar ist verglichen mit der Ladung, die benötigt wird, um die Zelle zu laden), der Batterie erhöhen kann.
Die Rahmen lassen sich besonders einfach zu Zellen und Modulen zusammenstellen, wenn an den Stirnflächen eine Anzahl von Noppen und Vertiefungen angeordnet sind,
die zur Ausrichtung und gleichzeitig auch zur Lagefixierung der Rahmen zueinander dienen.
Ein erfindungsgemässer Rahmen kann vorteilhaft in einer Zelle oder einem Modul einer Redox-Durchflussbatterie verwendet werden.
Durch die Verwendung eines Elastomer als Material für den Rahmen und die besondere Gestaltung des Rahmens kann der Rahmen in einem Arbeitsschritt mit einem Warmform verfahren, vorzugsweise durch Spritzgiessen oder Pressformen, hergestellt werden, wodurch der Herstellungsvorgang weitestgehend vereinfacht wird und kein aufwendiges Nachbearbeiten des Rahmens mehr notwendig ist.
Damit lassen sich auch die Kosten für einen solchen Rahmen bzw. einer Zelle oder einer Redox-Durchflussbatterie erheblich reduzieren.
Die vorliegende Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 6 beschrieben, die jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Rahmens in einer
Grundsicht, Fig.2 einen Schnitt durch den erfindungsgemässen Rahmen entlang der Linie II-II,
Fig.3 eine Darstellung mehrerer nebeneinander angeordneter Zellen,
Fig.4 einen Schnitt durch zwei nebeneinander liegende Rahmen während der Montage,
Fig.5 einen Reaktor einer Redox-Durchflussbatterie und
Fig. 6 eine vergrösserte Darstellung eines Schnittes durch zwei nebeneinander liegenden Rahmen mit bipolarer Platte und Dichtfingern.
Zur Beschreibung der Merkmale eines erfindungsgemässen Rahmens wird im Folgenden auf die Figs. 1 und 2 Bezug genommen. Der Rahmen 1 ist aus einem Elastomer, wie z.B. ein polyolefinisch thermoplastisches Elastomer (TPE oderTPO), wie z.B. Santoprene, oder ein thermoplastisches Vulkanat (TPV), gefertigt, insbesondere in einem Spritzgiessverfahren.
Das Rahmenmaterial weist z.B. eine Härte im Bereich von 40 - 95 Shore A, bevorzugt 60 - 75 Shore A, auf. Im Rahmen 1 ist in seiner Mitte eine Öffnung 8 vorgesehen, in der eine Elektrode 20, z.B. eine Matte aus Karbonfasem, angeordnet werden kann (siehe Fig.3). Um die Öffnung 8 herum ist eine Vertiefung 7 vorgesehen, in der eine bipolare Platte 22 angeordnet werden kann (siehe Fig. 3). Ein solcher Rahmen 1 mit Elektrode 20 bildet dabei eine Halbzelle einer Zelle 30 eines Reaktors 32 einer Redox-Durchflussbatterie, wie weiter unten noch genauer beschrieben.
Der Rahmen 1 weist weitere durchgehende Bohrungen 2a, 3a auf, die die beiden Stirnflächen S miteinander verbinden und durch die Elektrolytflüssigkeit gepumpt wird. Die Bohrung 2a dient dabei beispielsweise als Zufuhr und die Bohrung 3a als Abfuhr für Elektrolytflüssigkeit einer Halbzelle.
Eine Halbzelle wird von einer ersten Elektrolytflüssigkeit durchströmt und die benachbarte Halbzelle, die durch eine semipermeable Membran von der ersten getrennt ist (siehe in Fig. 3), von einer zweiten Elektrolytflüssigkeit. Diese zweite Elektrolytflüssigkeit wird durch durch den Rahmen 1 durchgehende Bohrungen 2b, 3b geführt und versorgt die benachbarte Halbzelle der Zelle mit Elektrolytflüssigkeit. [phi]
In einer Stirnfläche S des Rahmens 1 , die zumindest teilweise auch Dichtfläch[theta] ist, ist ein Kanal 4, 5 angeordnet, wobei ein Kanal 4 mit einem Ende mit der Zuführbohrung 2a verbunden ist und einen Zuführkanal bildet. Der Kanal 4, 5 kann auch im als Dichtfläche vorgesehenen Teil der Stirnfläche S angeordnet sein. Bevorzugt kann auch die gesamte Stirnfläehe S Dichtfläch[theta] sein.
Der Kanal 4 ist zur Stirnfläche S hin offen und erstreckt sich in einer Ebene parallel zur Stirnfläche S. Der zweite Kanal 5 ist diametral gegenüber angeordnet und bildet einen Abführkanal. Die nachfolgende Beschreibung des Zuführkanals 4 gilt folglich auch für den Abführkanal 5 gleichermassen. Der Zuführkanal 4 mündet an seinem anderen Ende in einen Verteilkanal 9, der entlang einer Seite der Öffnung 8 angeordnet ist und der zur Öffnung 8 in durch mehrere Stege 10 begrenzt ist, die sich bevorzugt vom Boden des Verteilkanals 9 bis zur Oberkante der Vertiefung 7 erstrecken.
Die Stege 10 sollen dabei im Wesentlichen verhindern, dass die Elektrode in den Verteilkanal rutscht oder in diesen hineinverformt wird, was eine ungleichmässige Verteilung der Elektrolytflüssigkeit bewirken würde, und um zu verhindern, dass aus der Elektrode ausgeschwemmte Fasern in den Elektrolytflüssigkeitskreislauf gelangen.
Im Mündungsbereich des Zuführkanals 4 (bzw. des Abführkanals 5) in den Verteilkanal 9 ist eine Rippe 6 angeordnet, die den Zuführkanal 4 in Strömungsrichtung teilt. Der Zuführkanal 4 kann im Bereich der Rippe 6 etwas breiter sein, um einen gleich bleibenden Strömungsquerschnitt zu erreichen.
Die Rippe 6 dient hauptsächlich dazu, den Kanal 4, 5 im Mündungsbereich steifer zu machen, damit sich dieser beim aneinander Pressen zweier benachbarter Halbzellen einer Zelle, und insbesondere auch im Bereich der bipolaren Platte zwischen zwei benachbarten Zellen, nicht (zu stark) verformt, was im schlimmsten Fall dazu führen könnte, dass der Kanal 4 verschlossen wird oder der Strömungsquerschnitt so weit eingeschränkt wird, dass nicht mehr ausreichend Elektrolytflüssigkeit zu- bzw. abgeführt werden kann. Durch den wirkenden Anpressdruck kann sich der Rahmen im Bereich des Kanals 4, 5 aber andererseits auch verwölben, was dazu führen kann, dass an dieser Stelle der Rahmen 1 undicht wird und Elektrolytflüssigkeit vom Kanal 4, 5 ausströmt. Auch dieser negative Effekt wird durch die Anordnung einer Rippe 6 im Kanal 4, 5 verbessert.
Obwohl grundsätzlich beliebig viele Rippen im Kanal 4, 5 angeordnet sein können, ist bevorzugt eine Rippe 6 im Kanal 4, 5 angeordnet, da bei mehreren Rippen 6 der Strömungswiderstand ansteigt. Wenn kein Verteilkanal 9 vorgesehen ist, mündet der Kanal 4, 5 natürlich direkt in die Öffnung 8.
Der Kanal 4, 5 kann auch einen abgerundeten Boden (z.B. halbkreisförmig) aufweisen, wodurch Deformationen des Kanals 4, 5 wenn die Rahmen 1 zusammengepresst werden verringert bzw. vermieden werden. Die Elektrolytflüssigkeit wird also über die Zuführbohrung 2a zugeführt, gelangt von dort über den Zuführkanal 4 in den Verteilkanal 9 und weiter zur in der Öffnung 8 angeordneten Elektrode 20.
Die Elektrolytflüssigkeit strömt durch die Elektrode 20, wird an der gegenüberliegenden Seite über einen weiteren Verteilkanal 9 gesammelt und wird über den Abführkanal 5 und der Abführbohrung 3a wieder abgeführt.
In der Vertiefung 7 ist weitere eine Anzahl von Dichtfingern 11 angeordnet, deren Funktion weiter unten mit Referenz auf Fig. 6 näher beschrieben wird.
Um das Aneinanderreihen mehrerer solcher Rahmen zu Zellen und zu Modulen einer Redox-Durchflussbatterie zu erleichtern, sind weitere am Rahmen 1 eine Reihe von von den Stirnflächen S abstehenden Noppen 12, 14 und zugehörige in den Stirnflächen S eingearbeiteten Ausnehmungen 13, 15 vorgesehen, die somit eine einfache Zentrierung der bipolaren Platten 22 und zweier benachbarter Rahmen 1 und/oder von Teilen einer Halbzelle und dem Rahmen 1 ermöglichen.
Die den Kanälen 4, 5 abgewandte Stirnseite des Rahmens 1 ist hier, mit Ausnahme von eventuell vorhandenen Noppen 12, 14 oder Ausnehmungen 13, 15, im Wesentlichen glatt ausgeführt.
Es ist aber im Rahmen der Erfindung selbstverständlich möglich, die Kanäle 4, 5, die Bohrungen 2, 3 und die Verteilkanäle 9 auch an anderen Stellen anzuordnen oder anders als oben beschrieben auszuführen.
Durch diese besondere Ausgestaltung eines Rahmens 1 , insbesondere der Anordnung der Kanäle 4, 5, und des gewählten Materials, nämlich ein Elastomer, kann ein solcher Rahmen in einem Arbeitsschritt in einem Warmformverfahren, wie z.B. durch Spritzgiessen, hergestellt werden. Eine aufwendige Nachbearbeitung des Rahmens 1 ist nicht mehr erforderlich.
Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Reaktors 32 einer Redox-Durchflussbatterie mit einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Zellen 30 dargestellt. Die Zellen 30 bestehen jeweils aus zwei Halbzellen, die von einem Rahmen 1 und einer darin angeordneten Elektrode 20 gebildet werden. Die Elektrode 20 kann dabei dicker sein als der Rahmen 1 und wird durch das Zusammendrücken der Halbzellen komprimiert. Da auch zwischen den beiden Halbzellen auch noch die bipolare Platte 22 angeordnet ist, wird die Elektrode 20 auf eine Dicke zusammengedrückt, die um die Hälfte der Dicke der bipolaren Platte 22 kleiner ist, als die Dicke des Rahmens 1. Die zwei Halbzellen einer Zelle 30 sind durch eine semipermeable Membran 24, typischerweise eine lon-Austauschmembran (entweder Kation- oder AnionAustausch Membran, z.B.
Nation 115), voneinander getrennt. Zwei benachbarte Zellen 30 sind jeweils durch eine bipolare Platte 22 voneinander getrennt. Die Dichtung zwischen zwei benachbarten Rahmen 1 bzw. zwischen Rahmen 1 und semipermeabler Membran 24 erfolgt über die Stirnflächen der Rahmen 1 , die zumindest teilweise als Dichtflächen dienen. Mehrere solcher Zellen 30 ergeben einen Reaktor (Modul) 32 einer Redox-Durchflussbatterie.
Die beiden Elektrolytflüssigkeiten mit unterschiedlichem Ladungszustand werden über Bohrungen 2, 3 zugeführt und wie oben beschrieben durch die Zellen 30 durchgeführt, wodurch es wie hinlänglich bekannt durch elektro-chemische Vorgänge zur Erzeugung von elektrischem Strom kommt bzw. die Batterie oder genauer die Elektrolytflüssigkeiten wieder aufgeladen werden.
Der Montagevorgang des Reaktors 32 wird durch die Noppen 12, 14 und den zugehörigen Ausnehmungen 13, 15 wesentlich vereinfacht, da die Elektroden 20 im nicht komprimierten Zustand dicker sind als die Rahmen, wie in Fig.4 angedeutet. Wenn der Reaktor 32 zusammengestellt wird, sitzen die Rahmen 1 über die Vertiefungen 13, 15 auf den Noppen 12, 14 der benachbarten Rahmen 1 auf und die bipolaren Platten 22 sitzen auf den Elektroden 20 der benachbarten Rahmen 1 auf.
Die Noppen 14 helfen in diesem Zustand darüber hinaus die bipolaren Platten 22 relativ zu den Rahmen 1 auszurichten und in eine Lage zu bringen, damit diese im zusammengepressten Zustand in der Vertiefung 7 zu liegen kommen. Alle Teile des Reaktors 32 sind somit zueinander ausgerichtet und behalten beim Zusammendrücken ihre Lage zueinander, wodurch die Montage des Reaktors 32 wesentlich erleichtert wird.
Die Zellen 30 eines Reaktors 32 werden dabei zwischen zwei starre Endplatten 46 angeordnet und durch Spannmittel 28, wie z.B. durchreichende Bolzen 40, die mittels Muttern 42, Beilagscheiben 43 und Federn 41 verspannt werden, aneinander gepresst, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt. Im in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist an den Endplatten 46 ein elektrischer Anschluss 48 vorgesehen, über den die Batterie mit einem externen Stromkreis verbunden werden kann.
Weiters sind an den Endplatten Anschlüsse 47 für die Zu- und Abführung der Elektrolytflüssigkeit vorgesehen. Die beiden Endplatten 46 sind weiters zwischen zwei Druckplatten 45 angeordnet, die durch die federbelasteten Bolzen 40 zusammengedrückt werden. Selbstverständlich kann auch jedes andere geeignete Spannmittel eingesetzt werden.
Da die Rahmen 1 aus Elastomeren gefertigt werden und folglich elastisch sind, wird bei einem ausreichenden Druck die Dichtheit zwischen den Rahmen 1 bzw. Zellen 30 sichergestellt. Es sind folglich keine zusätzlichen Dichtmittel oder ein Verkleben der Rahmen 1 notwendig, sondern die Dichtung erfolgt ausschliesslich über die Stirnflächen S der Rahmen 1. Die Bolzen 40 können dabei durch Bohrungen in den Rahmen 1 durchgeführt sein, oder können auch ausserhalb der Rahmen 1 oder in seitlichen Ausnehmungen der Rahmen 1 an geordnet sein.
Es sollte nur darauf geachtet werden, dass ein gleichmässiger Druck auf die Zellen 30 ausgeübt werden kann.
Dadurch, dass die Rahmen 1 aus Elastomeren gefertigt werden, kommt es aber auch zu einem Setzen der Rahmen 1 unter Druck, wodurch die Dichtheit der Rahmen 1 untereinander abnehmen kann. Um dies zu verhindern, kann auch ein Anschlag bzw. Abstandshalter 44 vorgesehen sein, der ein Setzen der Rahmen 1 über ein bestimmtes Mass hinaus unterbindet, was dazu führen könnte, dass die Strömungskanäle 4, 5, 9 im Rahmen 1 für ein ordnungsgemässen Funktionieren der Batterie zu eng werden. Verwendet werden kann z.B. ein PVC Abstandhalter 44, der um die elastomeren Rahmen 1 angeordnet sein kann.
Die jeweils äussersten Halbzellen des Reaktors 32 können weitere Mittel aufweisen, mit denen der Reaktor elektrisch mit einem externen Stromkreis verbunden werden kann.
Ausserdem können starre Elektrolytflüssigkeits-Zuführungsplatten mit Anschlüssen (z.B. Schraubgewinde) für die Elektrolytflüssigkeits-Leitungen (z.B. PVC-Rohre) vorgesehen sein, um den Reaktor 32 mit dem externen Flüssigkeitskreislauf der Redox-Durchflussbatterie zu verbinden.
Die beiden Elektrolytflüssigkeiten werden dabei wie hinlänglich bekannt in zwei Tanks gespeichert und über Leitungen dem Reaktor (Modul) der Redox-Durchflussbatterie zu- bzw. abgeführt. Solche Anordnungen sind vielfach bekannt, weshalb darauf hier nicht im Detail eingegangen wird.
Die bipolare Platte 22, die in der Vertiefung 7 angeordnet ist, bzw. der Rahmen 1 mit
Vertiefung 7 können mit vertretbarem Aufwand nicht so exakt gefertigt werden, dass diese genau zusammenpassen.
Es würde daher immer ein kleiner Spalt zwischen bipolarer Platte 22 in der Vertiefung 7 und dem Rahmen 1 entstehen, durch den Elektrolytflüssigkeit fliessen kann. Dadurch würde um die bipolare Platte 22 eine Undichtheit zwischen den beiden Halbzellen entstehen und die beiden Elektrolytflüssigkeiten könnten sich, wenn auch nur in geringem Ausmass, vermischen, was zu einem Wirkungsgradverlust (insbesondere des Coulombschen Wirkungsgrades) und einer Leistungseinbusse der Batterie führen würde. Um dies zu verhindern, ist in der Vertiefung 7 eine Anzahl von Dichtfingern 11 vorgesehen, die vom Boden der Vertiefung 7 zur Stirnfläche S hin und vom Rand der Vertiefung 7 zur Öffnung 8 hin abstehen.
Die Dichtfinger 11 sind dabei in Gruppen von mehreren Dichtfingern 11 angeordnet, wobei die einzelnen Dichtfinger 11 einer Gruppe unterschiedliche Längen aufweisen, womit gewissen Dimensions- oder Lageungenauigkeiten der bipolaren Platte 22 bzw. des Rahmens 1 Rechnung getragen wird. In Fig. 6 ist ein Schnitt durch zwei nebeneinander liegende Rahmen 1 mit Vertiefung 7 dargestellt. In der Vertiefung 7 ist eine bipolare Platte 22 angeordnet. Die Rahmen 1 sind hier nicht exakt zueinander ausgerichtet sein, wie in Fig. 6angedeutet, und die Dimension der bipolaren Platte 22 stimmt nicht genau mit der Vertiefung 7 überein, ist hier also zu klein. Um den dadurch entstehenden Spalt zwischen bipolarer Platte 22 und Rahmen 1 weitestgehend zu verschliessen, ist der Rand der bipolaren Platte 22 von beiden Seiten abgeschrägt.
Die schrägen Flächen wirken mit den Dichtfingern 11 zusammen und verschliessen somit den entstandenen Spalt bzw. engen diesen soweit ein, dass es kein Problem mehr darstellt. Obwohl dies aufgrund der elastischen Dichtfinger 11 grundsätzlich auch mit bipolaren Platten 22 mit geraden Randflächen möglich wäre, ist es vorteilhaft, den Rand der bipolaren Platte 22 abzuschrägen, da dann zu grosse Verformungen des Rahmens 1 in diesem Bereich vermieden werden können. Durch die unterschiedlich langen Dichtfinger 11 einer Gruppe wird sichergestellt, dass sicher zumindest ein Dichtfinger 11 mit einer der schrägen Flächen zusammenwirkt. Da die Dichtfinger 11 natürlich ebenfalls elastisch sind, verformen sich diese unter den auf die Rahmen 1 wirkenden Anpressdruck und passen sich dem Spalt bzw. der schrägen Randfläche der bipolaren Platte 22 an, wodurch die Dichtwirkung noch erhöht wird.
Frame for a cell of a reactor of a redox flow battery
The subject invention relates to a frame for a cell of a reactor of a redox flow battery, wherein the frame is formed of an elastomer and has two end faces, which are at least partially formed as sealing surfaces and in at least one end face a channel for supplying or discharging liquid is provided to the cell, and a cell consist of two such frames, a module consisting of a plurality of such frames and a method for producing such a frame.
Cells of a reactor of a redox flow battery usually consist of two adjacent half-cells, each half-cell is formed from a respective frame having an opening,
in each case an electrode is arranged and the half-cells are separated at least in the region of the opening by a semi-permeable membrane. The two half-cells are flowed through by two electrolyte liquids, wherein electrical current is generated by electro-chemical processes, which is tapped off via the electrodes. For some types of redox flow batteries, such as e.g. a vanadium
Redox flow battery or a vanadium / polyhalide battery, the two electrolyte liquids are chemically similar or have only a different oxidation state (eg V <2> * and V <3> *, V02 <+> and V0 <+>) , This process can also be reversed, with which the electrolyte liquid (or the battery) is charged.
Several such cells are combined into a module in a redox flow battery by placing the individual cells next to one another to achieve higher power or voltage. The individual cells are separated from each other by bipolar plates. Such arrangements are well known in various designs.
A crucial design criterion for such cells is the tightness between the two electrolyte fluids, as there are leaks, so in cross flows in the cells between the two halves or external leaks, to function, performance or loss of efficiency in the redox flow battery.
Critical is the seal between the two half-cells, ie between the two frames or between the frame and semipermeable membrane, but also between two adjacent cells in a module. In order to achieve sufficient tightness between two half-cells, different approaches can be found in the prior art.
Early versions of such redox flow batteries use elastomeric frames in which the electrodes are located and which are separated by a membrane. An example of this is JP 63-298977 A. Two adjacent cells are separated from each other by bipolar plates. The cells are sammengepresst by a clamping force, whereby sufficient tightness between the adjacent frame can be ensured without the need for gluing the frame.
The supply of the electrolyte liquid to the cells is carried out, however, by axially aligned, tubular projections on the frame, membranes and bipolar plates through which the electrolyte fluids are supplied and removed. The inlets and outlets can also be integrated into the elastomer frame. However, this embodiment has the disadvantage that the supply and removal of the electrolyte liquid to the electrodes must be realized by subsequently produced connection bores from the tubular projections to the electrodes, which requires an increased production cost. In addition, these approaches form a weak point in the tightness of the cells, if the clamping force can not be applied directly to the lugs.
Due to the need to arrange such approaches also on the membranes and bipolar plates, such cells also have a large overall length, which of course has a negative impact on the size of a redox flow-through battery.
Other designs use different additional sealing elements to effect a seal between the parts of a cell.
In the approach shown in JP 08-007913 A2, a half cell is formed of five frames, wherein a PVC frame includes the bipolar plate made of carbon, a PVR frame in which the electrode is disposed, for supplying and discharging the electrolyte liquid is used and the bipolar plate PVC frame, the PVC frame for supplying and removing the electrolyte liquid, and the membrane are separated by an ethylene-propylene rubber (EPR) separator plate, respectively.
At the same time, this EPR separating plate serves as a seal between the PVC frame or between the PVC frame and the membrane of the half cell. This construction of a half cell and the number of individual parts, the construction of a cell and thus a redox flow battery consuming. In addition, the effort to assemble a cell or a whole redox flow battery or the error rate during assembly is thereby significantly increased.
Another such embodiment shows e.g. EP 870342 A1, which relates to frames of a thermoplastic material (such as polystyrene, polymethylmethacrylate or polycarbonate) having recesses and protrusions which cooperate in a kind of groove and spring system.
The elevations are made slightly larger than the recesses, so that when compressing the deformable frame along the recesses and elevations, a seal between the two frames is formed. Of course, this seal is necessarily carried out along the entire circumference of a frame. However, this publication does not disclose how the electrolyte fluids are supplied to or removed from the frames. Other embodiments use O-rings as sealing elements between adjacent frames of a cell, such as e.g. in EP 1 411 575 A1. The ORing are arranged in grooves of a PVC frame and thus seal between two adjoining frames.
The supply and discharge of the electrolyte fluids to the frame takes place via channels in the frame.
These known embodiments of a frame of a cell of a redox flow battery with its own sealing elements have in common that they are either expensive to manufacture and / or in assembly or each require an additional sealing element, which also increases the cost of such a cell.
From the publication "Status of the Vanadium Battery Development Program", Menictas C, et al, Electrical Engineering Congress, Sydney, Australia 1994 (available at http:
//www.ceic.unsw.edu.au/centers/vrb/eec94a.htm) is again a frame made of Santoprene (elastomer) is known, which is produced by injection molding and in which the end faces of the frame simultaneously act as sealing surfaces and thus no Gluing or additional seals are necessary. However, it has been found that, in such frames caused by the deformation of the frame during compression to sealing problems, in particular in the area of the arranged in the end faces channels, which can lead to cross flows between the electrolyte liquids or to an external penetration of electrolyte liquid , On the other hand, deformations can also lead to a narrowing of the channels, which in turn would impair the function.
Although such small leaks or slight narrowing of the channels may be detrimental to the operation of the battery and functionally, they will result in undesirable efficiency and performance losses. In extreme cases, with particularly large deformations, but it can also lead to a failure of the battery, e.g. if the channel is narrowed so far that not enough electrolyte liquid can be passed through, or if too large leaks or
Leaks occur to the outside.
It is therefore an object of the present invention to provide a compact frame, as well as a cell and module of a redox flow battery which is easy to manufacture, a simple, safe and rapid assembly of the frame to a cell or to a module of a redox Flow-through and ensures an improved sealing effect without limiting the functionality of the frame.
This object is achieved by providing in the channel, preferably in the mouth region of the channel, at least one rib which divides the channel in the flow direction, whereby the channel (and thus also the frame itself) can be stiffened. This prevents on the one hand that the channel narrows or cambers due to the contact pressure, but at least this effect is reduced by the rib.
This at least reduces the likelihood of leakage in the region of the channels or too great a narrowing of the channels. In the area of the area in which the bipolar plate touches the frame, the pressure on the frame is greater than on the remaining area of the frame. Consequently, the rib also serves to strengthen the channel, particularly in this area, and to prevent the channel in the vicinity of the bipolar plate from being deformed, which could also lead to leaks.
By the arrangement of the feed or Abführkanals in the end face, such a frame can be made very easily, since this production by a thermoforming method, such. by injection molding, in one operation is possible.
A complex reworking, e.g. for drilling feed channels, this is no longer necessary because all the features of the frame by an appropriate design, e.g. the injection mold can be realized.
The fact that the frame is made according to the invention of an elastomer, the end face is at least partially simultaneously sealing surface. According to previously prevailing opinion, it was considered problematic to arrange the feed or discharge channel in the end face or the sealing surface.
This is probably due to the fact that it has been recognized that the elastic frame, especially in the region of the channel, which is indeed a weakening of the frame, under the pressure required to achieve a sealing function, of course, deform or warp and thus also the flow cross-section of the inlet or discharge channel is narrowed or closed in the worst case and on the other hand can flow out through the Verwölbung the channel electrolyte liquid. Therefore, in recent publications on flow-through batteries, there are also largely rigid frames (for example made of a thermoplastic), since this problem can not occur with them. Investigations by the applicant have shown, however, that such an elastic frame with a in the face or
Sealing surface molded channel with a rib disposed therein improves the sealing effect of a frame of a cell of a redox flow battery.
A favorable flow of electrolyte fluid through the frame can be achieved if two channels are provided in one end face, which are arranged diametrically opposite in the frame. The frames are easier to assemble into a cell or module if no channel is provided in an end face. This surface can also be used to arrange a semi-permeable membrane.
The electrode of a half cell is advantageously arranged in an opening provided in the frame, into which the channel or channels open.
The electrode can have a greater thickness than the frame in the uncompressed state, and is compressed by the compression of the frame to the substantially same thickness as the frame. The electrolyte liquid can therefore be fed or discharged through the channels simply the electrode.
In order to ensure a uniform distribution of the electrolyte liquid in the opening or the electrode, a distribution channel is provided in the frame, which preferably extends along one side of the opening and into which a channel opens and which is open towards the front side of the frame and towards the opening having a number of webs. This prevents the electrode from slipping into the distribution channel or deforming into the distribution channel, thus avoiding uneven distribution of the electrolyte liquid.
The webs also serve to prevent fibers from the electrode entering the electrolyte fluid circuit, which could lead to blockages of the pumps or laying of the lines or valves there.
In a recess provided around the circumference of the opening, a bipolar plate can advantageously be arranged. Through the depression centering of the plate is possible at the same time, which is advantageous for assembling the cells.
By arranging a number of sealing fingers in the recess, which preferably have partially different lengths and which extend from the edge of the recess to the opening, an additional sealing effect is further achieved, which the performance of the battery and in particular the efficiency, in particular the Couloumbschen Efficiency (ie how much charge is available compared to the charge needed to charge the cell) that can increase the battery.
The frames are particularly easy to assemble into cells and modules if a number of nubs and depressions are arranged at the end faces,
which serve for alignment and at the same time for fixing the position of the frame to each other.
An inventive frame can be advantageously used in a cell or module of a redox flow battery.
By using an elastomer as a material for the frame and the special design of the frame, the frame in one step process with a thermoforming process, preferably by injection molding or compression molding, are produced, whereby the manufacturing process is largely simplified and no costly reworking of the frame more necessary is.
Thus, the cost of such a frame or a cell or a redox flow battery can be significantly reduced.
The present invention will be described below with reference to the schematic, non-limiting Figures 1 to 6, each showing preferred embodiments.
It shows
Fig. 1 is a schematic representation of an inventive frame in a
2, a section through the inventive frame along the line II-II,
3 shows a representation of several juxtaposed cells,
4 shows a section through two adjacent frames during assembly,
5 shows a reactor of a redox flow battery and
Fig. 6 is an enlarged view of a section through two adjacent frame with bipolar plate and sealing fingers.
For describing the features of a frame according to the invention, reference is made below to FIGS. 1 and 2, reference is made. The frame 1 is made of an elastomer, e.g. a polyolefinic thermoplastic elastomer (TPE or TPO), e.g. Santoprene, or a thermoplastic vulcanate (TPV), manufactured, in particular in an injection molding process.
The frame material has e.g. a hardness in the range of 40-95 Shore A, preferably 60-75 Shore A, on. In the frame 1 is provided in its center an opening 8 in which an electrode 20, e.g. a mat made of carbon fibers, can be arranged (see Figure 3). Around the opening 8 around a recess 7 is provided, in which a bipolar plate 22 can be arranged (see Fig. 3). Such a frame 1 with electrode 20 forms a half cell of a cell 30 of a reactor 32 of a redox flow battery, as described in more detail below.
The frame 1 has further through holes 2a, 3a, which connect the two end faces S together and is pumped through the electrolyte liquid. The bore 2a serves, for example, as a supply and the bore 3a as a discharge for the electrolyte liquid of a half-cell.
A half cell flows through a first electrolyte liquid and the adjacent half cell, which is separated from the first by a semi-permeable membrane (see in FIG. 3), flows through a second electrolyte liquid. This second electrolyte liquid is passed through holes 2b, 3b passing through the frame 1 and supplies the adjacent half cell of the cell with electrolyte liquid. [Phi]
In an end face S of the frame 1, which is at least partially sealing surface [theta], a channel 4, 5 is arranged, wherein a channel 4 is connected at one end to the feed bore 2a and forms a feed channel. The channel 4, 5 can also be arranged in the intended as a sealing surface part of the end face S. Preferably, the entire end face S sealing surface [theta] may be.
The channel 4 is open towards the end face S and extends in a plane parallel to the end face S. The second channel 5 is arranged diametrically opposite and forms a discharge channel. The following description of the feed channel 4 consequently also applies equally to the discharge channel 5. The feed channel 4 opens at its other end into a distribution channel 9 which is arranged along one side of the opening 8 and which is delimited by a plurality of webs 10 to the opening 8, which preferably extend from the bottom of the distribution channel 9 to the upper edge of the recess 7 ,
The webs 10 are intended to substantially prevent the electrode from slipping into or deforming into the distribution channel, which would cause uneven distribution of the electrolyte fluid, and to prevent fibers washed out of the electrode from entering the electrolyte fluid circuit.
In the mouth region of the feed channel 4 (or the discharge channel 5) in the distribution channel 9, a rib 6 is arranged, which divides the feed channel 4 in the flow direction. The feed channel 4 may be slightly wider in the region of the rib 6 in order to achieve a constant flow cross section.
The rib 6 serves mainly to make the channel 4, 5 stiffer in the mouth region, so that it does not deform (too strongly) when two adjacent half cells of a cell are pressed together, and in particular also in the area of the bipolar plate between two adjacent cells. which in the worst case could lead to the channel 4 being closed or the flow cross-section being restricted so far that it is no longer possible to supply or remove sufficient electrolyte fluid. By the effective contact pressure, the frame in the region of the channel 4, 5 but on the other hand also warp, which can lead to the fact that at this point the frame 1 is leaking and electrolyte fluid from the channel 4, 5 flows out. This negative effect is also improved by the arrangement of a rib 6 in the channel 4, 5.
Although basically any number of ribs in the channel 4, 5 can be arranged, a rib 6 is preferably arranged in the channel 4, 5, since with several ribs 6, the flow resistance increases. If no distribution channel 9 is provided, the channel 4, 5 naturally opens directly into the opening 8.
The channel 4, 5 may also have a rounded bottom (e.g., semicircular), thereby reducing or avoiding deformations of the channel 4, 5 when the frames 1 are being squeezed together. The electrolyte liquid is thus supplied via the supply bore 2a, passes from there via the feed channel 4 into the distribution channel 9 and on to the electrode 20 arranged in the opening 8.
The electrolyte liquid flows through the electrode 20, is collected on the opposite side via a further distribution channel 9 and is discharged via the discharge channel 5 and the discharge hole 3a again.
In the recess 7 further a number of sealing fingers 11 is arranged, whose function will be described below with reference to FIG. 6 in more detail.
In order to facilitate the juxtaposition of several such frame to cells and modules of a redox flow battery, a number of projecting from the end faces S nubs 12, 14 and associated in the end faces S recesses 13, 15 are further provided on the frame 1, thus the allow easy centering of the bipolar plates 22 and two adjacent frame 1 and / or parts of a half-cell and the frame 1.
The channels 4, 5 facing away from the end face of the frame 1 is here, with the exception of any existing knobs 12, 14 or recesses 13, 15, executed substantially smooth.
However, it is within the scope of the invention of course possible to arrange the channels 4, 5, the holes 2, 3 and the distribution channels 9 at other locations or perform differently than described above.
By virtue of this particular embodiment of a frame 1, in particular the arrangement of the channels 4, 5, and of the material chosen, namely an elastomer, such a frame can be produced in one working step in a thermoforming process, e.g. by injection molding. A complex post-processing of the frame 1 is no longer necessary.
This allows a particularly simple and inexpensive production.
FIG. 3 shows a section of a reactor 32 of a redox flow battery with a number of cells 30 arranged next to one another. The cells 30 each consist of two half-cells, which are formed by a frame 1 and an electrode 20 disposed therein. The electrode 20 may be thicker than the frame 1 and is compressed by the compression of the half-cells. Since the bipolar plate 22 is also arranged between the two half-cells, the electrode 20 is compressed to a thickness which is smaller by half the thickness of the bipolar plate 22 than the thickness of the frame 1. The two half-cells of a cell 30 are defined by a semipermeable membrane 24, typically an ion exchange membrane (either cation or anion exchange membrane, eg
Nation 115), separated from each other. Two adjacent cells 30 are each separated by a bipolar plate 22. The seal between two adjacent frame 1 or between frame 1 and semi-permeable membrane 24 via the end faces of the frame 1, which serve at least partially as sealing surfaces. Several such cells 30 provide a reactor (module) 32 of a redox flow battery.
The two electrolyte liquids with different state of charge are supplied through holes 2, 3 and carried out as described above by the cells 30, whereby it comes as well known by electro-chemical processes to generate electricity or the battery or more specifically the electrolyte fluids are recharged ,
The assembly process of the reactor 32 is substantially simplified by the nubs 12, 14 and the associated recesses 13, 15, since the electrodes 20 in the uncompressed state are thicker than the frame, as indicated in Figure 4. When the reactor 32 is assembled, the frames 1 sit over the recesses 13, 15 on the knobs 12, 14 of the adjacent frame 1 and the bipolar plates 22 sit on the electrodes 20 of the adjacent frame 1.
The knobs 14 also help in this state to align the bipolar plates 22 relative to the frame 1 and to bring into a position so that they come to rest in the depression 7 in the compressed state. All parts of the reactor 32 are thus aligned with each other and retain their position when pressed together, whereby the assembly of the reactor 32 is substantially facilitated.
The cells 30 of a reactor 32 are thereby placed between two rigid end plates 46 and driven by tensioning means 28, e.g. passing through bolts 40, which are braced by nuts 42, washers 43 and springs 41, pressed together, as shown schematically in Fig. 5. In the example shown in FIG. 6, an electrical connection 48 is provided on the end plates 46, via which the battery can be connected to an external circuit.
Furthermore, 47 are provided for the supply and discharge of the electrolyte liquid at the end plates. The two end plates 46 are further arranged between two pressure plates 45, which are compressed by the spring-loaded pin 40. Of course, any other suitable clamping means can be used.
Since the frames 1 are made of elastomers and are therefore elastic, the tightness between the frame 1 or cells 30 is ensured at a sufficient pressure. There are therefore no additional sealing means or bonding of the frame 1 necessary, but the seal is made exclusively on the end faces S of the frame 1. The bolts 40 may be carried out through holes in the frame 1, or may also outside the frame 1 or in lateral recesses of the frame 1 to be sorted.
Care should be taken only that even pressure can be exerted on the cells 30.
The fact that the frame 1 are made of elastomers, but it also comes to a setting of the frame 1 under pressure, whereby the tightness of the frame 1 can decrease each other. To prevent this, a stop or spacer 44 may be provided, which prevents a setting of the frame 1 beyond a certain extent, which could lead to the flow channels 4, 5, 9 in the frame 1 for the proper functioning of the Battery gets too tight. It can be used e.g. a PVC spacer 44 which may be disposed about the elastomeric frames 1.
The respective outermost half-cells of the reactor 32 can have further means with which the reactor can be electrically connected to an external circuit.
In addition, rigid electrolyte fluid supply plates may be provided with ports (e.g., screw threads) for the electrolyte fluid conduits (e.g., PVC tubing) to connect the reactor 32 to the external fluid circuit of the redox flow battery.
As is well known, the two electrolyte liquids are stored in two tanks and fed via lines to the reactor (module) of the redox flow battery. Such arrangements are widely known, which is why will not be discussed in detail here.
The bipolar plate 22, which is arranged in the recess 7, and the frame 1 with
Recess 7 can not be made so precisely with reasonable effort that they fit together exactly.
It would therefore always arise a small gap between bipolar plate 22 in the recess 7 and the frame 1, can flow through the electrolyte liquid. This would create a leakage between the two half-cells around the bipolar plate 22 and the two electrolyte liquids could, albeit to a small extent, mix, which would lead to a loss of efficiency (in particular the Coulomb efficiency) and a loss of power of the battery. To prevent this, a number of sealing fingers 11 are provided in the recess 7, which project from the bottom of the recess 7 to the end face S and from the edge of the recess 7 to the opening 8 out.
The sealing fingers 11 are arranged in groups of a plurality of sealing fingers 11, wherein the individual sealing fingers 11 a group have different lengths, which certain dimensional or positional inaccuracies of the bipolar plate 22 and the frame 1 is taken into account. In Fig. 6 is a section through two adjacent frame 1 with recess 7 is shown. In the recess 7, a bipolar plate 22 is arranged. The frame 1 here are not exactly aligned with each other, as indicated in Fig. 6, and the dimension of the bipolar plate 22 does not match exactly with the recess 7, so here is too small. In order to close the resulting gap between bipolar plate 22 and frame 1 as far as possible, the edge of the bipolar plate 22 is beveled from both sides.
The oblique surfaces cooperate with the sealing fingers 11 and thus close the resulting gap or narrow it so far that it no longer represents a problem. Although this would be possible in principle with bipolar plates 22 with straight edge surfaces due to the elastic sealing fingers 11, it is advantageous to bevel the edge of the bipolar plate 22, since then too large deformations of the frame 1 can be avoided in this area. By different length sealing fingers 11 a group ensures that securely at least one sealing finger 11 cooperates with one of the inclined surfaces. Of course, since the sealing fingers 11 are also elastic, they deform under the pressure acting on the frame 1 contact pressure and adapt to the gap or the oblique edge surface of the bipolar plate 22, whereby the sealing effect is increased.