AT510723B1

AT510723B1 - Rahmen einer zelle einer redox-durchflussbatterie

Info

Publication number: AT510723B1
Application number: ATA2106/2010A
Authority: AT
Inventors: Martin Harrer; Herbert Bucsich
Original assignee: Cellstrom Gmbh
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-15
Also published as: CN102569862A; AT510723A4; US8815428B2; CN102569862B; US20120156535A1

Abstract

Zur Verbesserung der Energieffizienz einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie ist es erwünscht, dass die Elektrolytflüssigkeit weitestgehend durch die Elektrode fließt und keine Strömungswege oder Leckagen um die Elektrode herum vorhanden sind. Um das zu erreichen wird ein Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie mit einer Öffnung 8, die durch einen Rand 6 begrenzt ist, vorgeschlagen, wobei am Rand 6 ein erster Strömungsblocker 11 angeordnet ist, der sich in die Öffnung 8 hinein erstreckt und im Verteilkanal 9 im Bereich dessen Einströmbereichs zur Elektrolytflüssigkeitszufuhr in die Zelle oder des Ausströmbereichs zur Elektrolytflüssigkeitsabfuhr ein zweiter Strömungsblocker 16 angeordnet ist, der den Verteilkanal 9 zur Öffnung 8 hin begrenzt..

Description

österreichisches Patentamt AT510 723B1 2012-06-15

Beschreibung

RAHMEN EINER ZELLE EINER REDOX-DURCHFLUSSBATTERIE

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie mit einer Öffnung, die durch einen Rand begrenzt ist, wobei am Rand ein erster Strömungsblocker angeordnet ist, der sich in die Öffnung hinein erstreckt, und mit einem in die Öffnung mündenden Verteilkanal zum Zu- oder Abführen von Elektrolytflüssigkeit zur Zelle, sowie eine Halbzelle und eine Redox-Durchflussbatterie mit einem solchen Rahmen.

[0002] Eine bekannte Ausführungsart einer Redox-Durchflussbatterie 50 bzw. eines Stacks 32 einer Redox-Durchflussbatterie 50 ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Die Zellen 30 eines solchen Stacks 32 bestehen in der Regel aus zwei nebeneinander liegenden Halbzellen 30a, 30b, wobei jede Halbzelle 30a, 30b aus je einem Rahmen 1 gebildet ist, der eine Öffnung 8 aufweist, in der jeweils eine Elektrode 20 angeordnet ist und wobei die Halbzelle 30a, 30b zumindest im Bereich der Öffnung 8 durch eine semipermeable Membran 24 getrennt sind. Die erste Halbzelle 30a einer Zelle 30 wird von einer ersten Elektrolytflüssigkeit durchströmt und die zweite Halbzelle 30b dieser Zelle von einer zweiten Elektrolytflüssigkeit, wobei durch elektrochemische Vorgänge elektrischer Strom erzeugt wird, der über elektrische Anschlüsse 48 an den Endplatten 46 des Stacks 32 abgegriffen werden kann. Bei einigen Typen von Redox-Durchflussbatterien 50, wie z.B. ein Vanadium-Redox-Durchflussbatterie oder einer Vanadi-um/Polyhalid-Batterie, sind die beiden Elektrolytflüssigkeiten chemisch weitgehend ähnlich bzw. weisen nur einen anderen Oxidationszustand auf (z.B. V2+ und V3+, V02+ und V02+). Dieser Vorgang kann auch umgekehrt werden, womit die Elektrolytflüssigkeit (bzw. die Batterie) geladen wird. Mehrere solche Zellen 30 werden in einer Redox-Durchflussbatterie 50 zu einem Stack 32 zusammengefasst, indem die einzelnen Zellen 30 nebeneinander angeordnet werden, um eine höhere Leistung bzw. Spannung zu erreichen. Die einzelnen Zellen 30 werden dabei durch bipolare Platten 22 voneinander getrennt. Die beiden Elektrolytflüssigkeiten mit unterschiedlichem Ladungszustand werden über Anschlüsse 47 in den Endplatten 46 zu- bzw. abgeführt und durch Bohrungen 2, 3 in den Rahmen 1 durch die Zellen 30 durchgeführt. Die Zellen 30 werden zwischen den beiden Endplatten 46 bzw. den daran anliegenden Druckplatten 45 angeordnet und können durch durchreichende Bolzen 40, die mittels Muttern 42, Beilagschei-ben 43 und Federn 41 verspannt werden, aneinander gepresst werden. In einer Redox-Durchflussbatterie 50 können auch mehrere Stacks 32 zusammengefasst werden, wobei eine Gruppe von Stacks 32, die elektrisch in Serie geschaltet sind, auch Strings genannt werden und mehrere Strings elektrisch parallel betrieben werden können. Solche Anordnungen sind in unterschiedlichsten Ausführungen hinlänglich bekannt.

[0003] Zur Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. der Energieeffizienz einer Redox-Durchflussbatterie wäre es natürlich erwünscht, dass die gesamte umgewälzte Elektrolytflüssigkeit durch die Elektrode strömt und keine Leckagen vorhanden sind bzw. keine Elektrolytflüssigkeit an der Elektrode vorbeifließen kann. Hier sind, neben Leckagen, insbesondere die Bereiche zwischen Elektrode und Rand des Rahmens bzw. Rand der Öffnung problematisch, da festgestellt wurde, dass sich zwischen Elektrode und Rahmen ein Strömungskanal ausbilden kann und damit Elektrolytflüssigkeit an der Elektrode vorbei und ungenutzt durch die Zelle fließt.

[0004] Aus der JP 2006-324 129 A ist ein Rahmen einer Redox-Durchflussbatterie bekannt, der eine Öffnung aufweist, in der eine Elektrode eingesetzt ist. Elektrolytflüssigkeit wird der Zelle über in die Öffnung mündende Verteilkanäle zu- bzw. abgeführt. Um zu vermeiden, dass zwischen Rahmen und Elektrode Elektrolytflüssigkeit vorbeifließt ist hier vorgesehen, am Rahmen einen Vorsprung anzuordnen, der sich in die Öffnung hineinerstreckt und der sich in eine Ausnehmung der Elektrode erstreckt. Die Elektrode liegt dabei am Vorsprung an. Bis zum Vorsprung kann damit aber nachwievor Elektrolytflüssigkeit ungehindert an der Elektrode vorbeiströmen, womit ein Teil der Elektrolytflüssigkeit weiterhin ungenutzt bleibt.

[0005] Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, einen Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie anzugeben, der die Ausnutzung der durch die Zelle umgewälz- 1 /7 österreichisches Patentamt AT510 723B1 2012-06-15 ten Elektrolytflüssigkeit verbessert.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem am Rand der Öffnung ein Strömungsblocker angeordnet ist, der sich in die Öffnung hinein erstreckt und, im zusammengebauten Zustand mit einer Elektrode in der Öffnung, in die Elektrode gedrückt wird und im Verteilkanal im Bereich dessen Einströmbereichs zur Elektrolytflüssigkeitszufuhr in die Zelle oder des Ausströmbereichs zur Elektrolytflüssigkeitsabfuhr ein weiterer Strömungsblocker angeordnet ist, der den Verteilkanal zur Öffnung hin begrenzt.. Damit wird zum Einen die Ausbildung eines Strömungskanals zwischen Öffnung und Elektrode unterbunden und die Elektrolytflüssigkeit wird gezwungen, durch die Elektrode zu fließen, was den Wirkungsgrad bzw. die Energieeffizienz der Zelle und damit der Redox-Durchflussbatterie erhöht. Zum Anderen wird damit die Elektrolytflüssigkeit gezwungen, zuerst in den Verteilkanal zu strömen, wo sie verteilt wird und von wo aus sie weiter in die Elektrode fließen kann. Auf diesem Weg wird verhindert, dass Elektrolytflüssigkeit im Einström- bzw. Ausströmbereich an der Elektrode vorbeifließen kann.

[0007] Am wirkungsvollsten wird die Ausbildung eines Strömungskanals zwischen Öffnung und Elektrode verhindert, wenn sich ein Strömungsblocker über die gesamte Höhe der Öffnung erstreckt.

[0008] Die vorliegende Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 5 beschrieben, die jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen. Dabei zeigt [0009] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rahmens in einer Grundsicht, [0010] Fig. 2 eine Detailansicht des Einströmbereichs der Elektrolytflüssigkeitszufuhr und [0011] Fig. 3und 4 eine Darstellung eines Stacks einer Redox-Durchflussbatterie bzw. eine

Detailansicht daraus.

[0012] Zur Beschreibung der Merkmale eines erfindungsgemäßen Rahmens 1 wird im Folgenden auf die Fig.1 und 2 Bezug genommen. Der Rahmen 1 ist aus einem Elastomer, wie z.B. ein polyolefinisch thermoplastisches Elastomer (TPE oder TPO), 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 Kohlenstofffasern, angeordnet werden kann (siehe Fig. 4). Um die Öffnung 8 herum kann eine Vertiefung 7 vorgesehen sein, in der eine bipolare Platte 22 angeordnet werden kann (siehe Fig. 4). Ein solcher Rahmen 1 mit Elektrode 20 bildet dabei eine Halbzelle 30a, 30b einer Zelle 30 eines Stacks 32 einer Redox-Durchflussbatterie 50, wie oben beschrieben.

[0013] Der Rahmen 1 weist weiters durchgehende Bohrungen 2a, 3a auf, durch die zur Elektrolytflüssigkeitsversorgung bzw. Elektrolytflüssigkeitsabfuhr der Zellen 30 Elektrolytflüssigkeit durch den Stack 32 gepumpt wird. Die Bohrung 2a dient dabei beispielsweise als Zufuhr und die Bohrung 3a als Abfuhr für eine erste Elektrolytflüssigkeit einer Halbzelle. Eine zweite Elektrolytflüssigkeit wird durch die durch den Rahmen 1 durchgehenden Bohrungen 2b, 3b geführt. In einer Stirnfläche S des Rahmens 1 sind Kanäle 4, 5 angeordnet, wobei ein Kanal 4 mit einem Ende zur Elektrolytflüssigkeitszufuhr mit der Zuführbohrung 2a verbunden ist und einen Zuführkanal bildet. Der zweite Kanal 5 ist diametral gegenüber angeordnet und zur Elektrolytflüssigkeitsabfuhr mit der Abführbohrung 3a verbunden und bildet einen Abführkanal. Die Kanäle 4, 5 können auch im als Dichtfläche vorgesehenen Teil der Stirnfläche S angeordnet sein. Die nachfolgende Beschreibung des Kanals 4 für die Zuführung gilt für den Kanal 5 für die Abführung der Elektrolytflüssigkeit gleichermaßen. Allerdings ist es natürlich auch möglich, den Zu- und Abführkanal unterschiedlich auszugestalten bzw. anzuordnen.

[0014] Der Kanal 4 ist zur Stirnfläche S hin offen und erstreckt sich vorteilhaft in einer Ebene 2/7 österreichisches Patentamt AT510 723B1 2012-06-15 parallel zur Stirnfläche S und mündet in einen Verteilkanal 9, der entlang einer Seite der Öffnung angeordnet ist und der zur Öffnung 8 hin durch eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Stege 10 begrenzt ist. Die Stege 10 erstrecken sich bevorzugt vom Boden des Verteilkanals bis zur Oberkante der Vertiefung 7 bzw. bis zur Stirnfläche S, können sich aber auch nur über einen Teil dieser Höhe erstrecken. Die Stege 10 sollen dabei im Wesentlichen verhindern, dass die Elektrode in den Verteilkanal 9 rutscht oder in diesen hineinverformt wird, was eine ungleichmäßige Verteilung der Elektrolytflüssigkeit bewirken würde, und dass aus der Elektrode ausgeschwemmtes Material, wie z.B. Fasern, in den Elektrolytflüssigkeitskreislauf gelangen oder den Kanal 4 verlegen.

[0015] Die Elektrolytflüssigkeit wird also über die Zuführbohrung 2a zugeführt, gelangt von dort über den Kanal 4 in den Verteilkanal 9, wird dort gleichmäßig verteilt und fließt weiter zur in der Öffnung 8 angeordneten Elektrode 20. Die Elektrolytflüssigkeit strömt durch die Elektrode 20, wird an der gegenüberliegenden Seite über einen weiteren, bevorzugt gegenüber liegenden Verteilkanal 9 gesammelt und wird über den Abführkanal 5 und der Abführbohrung 3a wieder abgeführt.

[0016] Um zu verhindern, bzw. weitestgehend zu unterbinden, dass sich zwischen Rahmen 1, konkret dem Rand 6 der Öffnung 8, und der Elektrode 20, die im zusammengebauten Zustand des Stacks 32 in der Öffnung 8 angeordnet ist (siehe Fig. 4) ein Strömungskanal in Richtung der Strömung der Elektrolytflüssigkeit durch die Zelle 30 ausbildet, sind am Rand 6 der Öffnung 8 als Vorsprünge ausgebildete Strömungsblocker 11 vorgesehen, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt. Diese Strömungsblocker 11 erstrecken sich bevorzugt über die ganze Höhe der Öffnung 8 und vom Rand 6 in die Öffnung 8 hinein, also quer zur Richtung der Strömung der Elektrolytflüssigkeit durch die Zelle 30 bzw. Halbzelle 30a, 30b.

[0017] Bei Anordnung der Elektrode 20 im Rahmen 1, die die Öffnung 8 in Normalfall vollständig ausfüllt, werden die Strömungsblocker 11 in die Elektrode 20 gedrückt und unterbinden weitestgehend eine Strömung von Elektrolytflüssigkeit zwischen Rand 6 und Elektrode 20.

[0018] Eine weitere Verbesserung der Unterdrückung der Ausbildung eines Strömungskanals zwischen Rahmen und Elektrode kann erzielt werden, wenn sich der Rand 6 im Einströmbe-reich des Kanals 4 vom Rand 6 in den Verteilkanal 9 hinein erstreckt, um zu verhindern, dass die Elektrolytflüssigkeit im Einströmbereich direkt an der Elektrode 20 vorbeifließen kann. Dazu ist am Rand 6 ein weiterer, als Vorsprung ausgeführter, Strömungsblocker 16 vorgesehen, der sich in den Verteilkanal hinein erstreckt und den Verteilkanal 9 in dessen Einströmbereich in Richtung zur Öffnung 8 begrenzt. Damit wird die Elektrolytflüssigkeit gezwungen, zuerst in den Verteilkanal 9 zu strömen und kann erst von dort in die Öffnung 8 bzw. in die Elektrode 20 gelangen. Ein solcher weiterer Strömungsblocker 16 kann auch am Ausströmbereich des Kanals 5 angeordnet sein. 3/7

Claims

österreichisches Patentamt AT510 723B1 2012-06-15 Patentansprüche 1. Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie mit einer Öffnung (8), die durch einen Rand (6) begrenzt ist, wobei am Rand (6) ein erster Strömungsblocker (11) angeordnet ist, der sich in die Öffnung (8) hinein erstreckt, und mit einem in die Öffnung (8) mündenden Verteilkanal (9) zum Zu- oder Abführen von Elektrolytflüssigkeit zur Zelle dadurch gekennzeichnet, dass im Verteilkanal (9) im Bereich dessen Einströmbereichs zur Elektrolytflüssigkeitszufuhr in die Zelle oder des Ausströmbereichs zur Elektrolytflüssigkeitsabfuhr ein zweiter Strömungsblocker (16) angeordnet ist, der den Verteilkanal (9) zur Öffnung (8) hin begrenzt.
2. Rahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Strömungsblocker (11,16) über die gesamte Höhe der Öffnung (8) erstreckt.
3. Halbzelle einer Redox-Durchflussbatterie bestehend aus einem Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei in der Öffnung (8) des Rahmens (1) eine Elektrode (20) angeordnet ist, in der der erste Strömungsblocker (11) hinein gedrückt ist.
4. Redox-Durchflussbatterie mit einer Halbzelle (30a, 30b) bestehend aus einem Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei in der Öffnung (8) des Rahmens (1) eine Elektrode (20) angeordnet ist, in der der erste Strömungsblocker (11) hinein gedrückt ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7