DE102012017306A1 - Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp, umfassend eine Anoden- und eine Kathodenhalbzelle, die von Seitenelementen begrenzt werden, und in den Halbzellen die jeweiligen porösen Elektroden enthalten sind, und eine permeable Trennschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenhalbzelle angeordnet ist. Die elektrochemische Zelle zeichnet sich dadurch aus, dass ein Elektrolyteinströmbereich, der mit einem Elektrolytzulauf verbunden ist und ein Elektrolytausströmbereich, der mit einem Elektrolytablauf verbunden ist, vorgesehen ist, wobei der Elektrolyteinströmbereich und der Elektrolytausströmbereich auf gegenüberliegenden Seiten der porösen Elektrode angeordnet ist, so dass einströmender Elektrolyt die poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen speziellen Zellaufbau für elektrochemische Zellen vom Durchflusstyp, die im Vergleich zum konventionellen Zellaufbau einen minimierten Druckverlust aufweisen und des Weiteren eine deutlich verbesserte Strömungsverteilung innerhalb der Zelle zeigen. Außerdem wird mit der elektrochemischen Zelle eine bessere Performance erzielt als mit Zellen, die einen herkömmlichen Zellaufbau aufweisen.
  • Insbesondere im Zusammenhang mit der sich wandelnden Energieerzeugung gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung. Von besonderem Interesse sind Energiespeicher, die die Möglichkeit bieten, große Mengen Energie zu speichern und diese mit hoher Leistung abgeben und aufnehmen zu können. Bevorzugt sind dabei Technologien, die die Energie mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad ein- und wieder ausspeichern, damit möglichst wenig Energie verloren geht und somit eine kostengünstige Zwischenspeicherung erfolgen kann.
  • Eine dafür vielfach diskutierte Technologie sind die Redox-Flow-Speicher. Eine allgemeine Darstellung dieser Technologie aus dem Stand der Technik ist in 1 gezeigt. Bei einem Redox-Flow-Speicher ist die Energie in den Elektrolyten in Form von Metallen, Salzen oder anderen chemischen Verbindungen gespeichert, wobei diese Verbindungen in flüssiger, dispergierter oder gelöster Form vorliegen. Die Elektrolyte werden in externen Tanks 1a, 1b gelagert. Zum Laden oder Entladen werden die Elektrolyte durch eine elektrochemische Zelle 2 gepumpt. In der elektrochemischen Zelle 2 wird durch Anlegen einer Spannung über einen Netzanschluss 5 an den jeweiligen Elektroden 3a, 3b durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen beim Laden elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen wieder in elektrische Energie zurück umgewandelt. An den Elektroden laufen verallgemeinert die nachstehenden Reaktionen ab: Minus-Pol:
    Figure DE102012017306A1_0002
    Plus-Pol:
    Figure DE102012017306A1_0003
  • Die elektrochemische Zelle 2 besteht aus zwei Halbzellen, der Anodenseite und der Kathodenseite, in denen die jeweiligen Elektroden 3a, 3b enthalten sind. Beide Halbzellen sind durch eine permeable Trennschicht 4 zum Ladungsausgleich beim Laden und Entladen voneinander getrennt. Zur Leistungserhöhung können z. B. mehrere solcher Einzelzellen zu sogenannten Stacks oder Zellenstapel zusammengefasst werden oder die aktive Fläche der einzelnen Zellen kann erhöht werden.
  • Die Leistungsfähigkeit einer einzelnen Zelle mit vorgegebener aktiver Fläche wird bestimmt aus der Kombination von Zellspannung und Stromdichte, also der maximalen Leistung pro Fläche. Dies gilt für beide Richtungen der reversibel stattfindenden Reaktion.
  • Zum Erreichen einer möglichst hohen Leistungsdichte pro Zelle werden Elektroden mit einer möglichst hohen Oberfläche benötigt. Die Leistung einer Zelle ist u. a. von der Anzahl der elektrochemischen Reaktionen pro Zeit und geometrische Zellfläche bestimmt [mol/(s·m2)]. Elektroden mit einer großen Oberfläche pro geometrische Oberfläche haben somit viele aktive Zentren, an denen die elektrochemischen Reaktionen ablaufen können. Hierfür werden nach dem Stand der Technik dreidimensionale poröse Elektroden, wie zum Beispiel Metallschäume oder hochporöse Kohlenstoffvliese, eingesetzt, aber auch andere Materialien sind möglich. Der Begriff „Elektrode” wird in dieser Anmeldung mit dem Begriff „dreidimensionale poröse Elektrode” gleichgesetzt. 2 zeigt einen Standardaufbau einer derartigen Redox-Flow-Zelle aus dem Stand der Technik. Diese Elektrode 6a, 6b werden zusammen mit einer permeablen Trennschicht 4 in einen Zellrahmen integriert und beim Laden und Entladen jeweils von dem Anolyten 8a bzw. Katholyten 8b in X- oder Y-Richtung durchströmt, so dass an der Oberfläche der Elektroden 6a, 6b die Oxidations- oder Reduktionsreaktionen stattfinden. Die Elektroden 6a, 6b werden dabei von Seitenelementen 7 nach außen abgegrenzt. Die Seitenelemente haben neben einer Abgrenzung nach außen in einem Zellstack die Aufgabe den Strom von einer Zelle in die nächste weiterzuleiten.
  • Bei einer Durchströmung in X- oder Y-Richtung nimmt der State-of-Charge (SOC, Ladungszustand) des Elektrolyten in der gleichen Richtung beim Entladen ab bzw. beim Laden zu, so dass die Elektrode, das Seitenelement und die permeable Trennschicht an der gesamten Oberfläche eine unterschiedliche Konzentration der jeweiligen aktiven Spezies sieht. Wird nun pro Verweilzeit des Elektrolyten in der Zelle eine zu große Änderung des SOC erreicht, so werden einerseits die einzelnen Komponenten, wie z. B. die permeable Trennschicht, die Elektrode und das Seitenlelement, an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich beansprucht, wodurch es leicht zu einer irreversiblen Schädigung der jeweiligen Komponenten kommen kann.
  • Des Weiteren wird beim Laden die Leistung der Zelle stets durch den Ort auf der Elektrode bestimmt, an dem der höchste SOC vorliegt, da ansonsten leicht Nebenreaktionen stattfinden können.
  • Umgekehrt ist beim Entladen die Leistungsfähigkeit der Zelle durch den Ort auf der Elektrode bestimmt, in der die niedrigste SOC vorliegt.
  • Aus diesen Gründen ist es für eine Zelle mit einem solchen Zelldesign nötig, dass pro Verweilzeit des Elektrolyten in der Zelle nur eine sehr geringe Ladungsänderung des Elektrolyten stattfindet. Dies bedeutet, dass bei einer gegebenen Stromdichte der Elektrolyt mit einer relativ hohen Geschwindigkeit durch die Zelle gepumpt werden muss. Dies hat jedoch einen steigenden Druckverlust und damit steigende Pumpleistung zur Folge, was wiederum zu einer starken Verringerung des Systemwirkungsgrades führt.
  • Des Weiteren ist auch für eine gleichmäßige Durchströmung der Elektroden ein verhältnismäßig hoher Volumenstrom nötig.
  • Der gesamte Wirkungsgrad eines solchen Redox-Flow-Speichers wird, wie bereits oben erwähnt, neben den elektrochemischen Verlusten innerhalb der einzelnen Zellen insbesondere auch durch die Pumparbeit reduziert, die für die Förderung des Elektrolyten durch die Zellen benötigt wird. Die meiste Pumparbeit wird dabei für die Überwindung des Druckgradienten innerhalb der Zelle benötigt. Dieser Druckgradient wird einerseits durch die Anströmkanäle innerhalb der Zelle aber insbesondere auch von der Durchströmung der Elektroden hervorgerufen.
  • Zur Reduzierung der Pumparbeit bei einer ebenso gleichmäßigen Strömungsverteilung des Elektrolyten innerhalb der Zelle werden verschiedene Ansätze beschrieben.
  • In WO2012/022532A1 wird zur Verbesserung der strömungsbedingten Druckverluste und für eine gleichmäßige Durchströmung der Elektrode eine Optimierung des Verteilkanals beschrieben.
  • Auch in EP814527A3 wird die Verbesserung der Verteilkanäle in die Zelle beschrieben und auf das optimale Verhältnis zwischen Zellhöhe und Zellbreite eingegangen. Es wird beschrieben, dass insbesondere eine Vergrößerung der Zellenhöhe (Länge der Zelle in Fließrichtung) zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems aufgrund steigender Pumpleistung führen würde. Weiterhin wird beschrieben, dass eine Verbreiterung der Zelle zur Leistungserhöhung Probleme einer gleichmäßigen Elektrolytdurchströmung beinhalten.
  • In US5648184 wird zur Reduktion des Druckverlustes vorgeschlagen, die eingesetzten Elektroden mit einer Nut zu versehen, die mit der Strömung des Elektrolyten ausgerichtet sind. Dadurch soll es zu einer Verminderung des Druckverlustes kommen ohne die Elektrodenleistung zu beeinflussen.
  • In US6475661 B1 wird unter anderem Beschrieben, dass durch die Aufbringung von Strömungsprofilen auf der Bipolarplatte der Druckverlust reduziert werden kann.
  • Von Aaron et al. (Journal of Power Sources 206 (2012) 450–453) wird beschrieben, dass durch einen sogenannter „Flow-by”-Zellenaufbau sehr gute elektrochemische Ergebnisse erzielt werden können. Für diese Versuche wurde eine modifizierte Methanol Brennstoffzelle als Redox-Flow-Zelle verwendet. Diese „Flow-by”-Technologie erlaubt durch ein geeignetes Design der Strömungskanäle eine Reduktion des Druckverlustes, allerdings hat das Design der Strömungskanäle auch stets erheblichen Einfluss auf die Performance der Zelle. Bereits die Autoren geben zu bedenken, dass die serpentinenartigen Fließkanäle zwar zu einer guten elektrochemischen Performance führen aber auch zu einem hohen Druckverlust führen können. Des Weiteren birgt ein solches Konzept die Gefahr, dass bei angestrebten hohen Stromdichten die Diffusion in das verwendete Kohlenstoffvlies limitierend wird.
  • Tian et al. (Rare Metals 30 (Spec. Issue) (Mar. 2012) 16–21) beschreiben die Aufbringung von unterschiedlichen Fliesskanälen innerhalb der Elektroden. Es wurde gezeigt, dass dies zu einer erheblichen Reduzierung des Druckverlustes führen kann. Es ist allerdings eine sehr ungleichmäßige Elektrolytverteilung innerhalb der Zelle zu erkennen, was zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Zelle führt und aufgrund unterschiedlicher Strömungsregime leicht zu Nebenreaktionen wie z. B. Sauerstoff- oder Wasserstoffentwicklung führen kann.
  • Nach dem Stand der Technik werden Redow-Flow-Zellen von einer Seite der Elektroden angeströmt und der Elektrolyt durchströmt in X- oder Y-Richtung die Elektroden (siehe 2) und verlässt auf der gegenüberliegenden Seite wieder die Zelle. Da die verwendeten Elektroden einen hohen Strömungswiderstand für den Elektrolyten verursachen, treten dadurch unvermeidlich Druckverluste auf, die ein upscaling der Zelle gleichzeitig in X- und Y-Richtung technisch und ökonomisch sehr schwierig bis unmöglich machen. Ein solch hoher Druckverlust in großen Zellen würde einerseits technisch aufwendige und teure Konzepte benötigen und andererseits auch ein Sicherheitsrisiko darstellen. Des Weiteren würde zur Überwindung des Druckverlustes eine Pumpleistung benötigt werden, die den gesamten Systemwirkungsgrad in einem nicht vertretbaren Ausmaß reduzieren würde.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine alternative Lösung, einer elektrochemischen Zelle vom Durchflusstyp zur Verfügung zu stellen, mittels dessen der Druckverlust innerhalb der Zelle reduziert wird und eine gleichmäßigere Durchströmung der Elektrode gewährleistet. Außerdem soll der Elektrolyt über die Höhe und gleichzeitig über die Breite der Zelle einen möglichst stabilen Ladungszustand aufweisen. Die aus dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile sollen vermieden werden. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Zellenstapel enthaltend die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Zelle zur Verfügung zu stellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, durch eine elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp, umfassend eine Anoden- und eine Kathodenhalbzelle, die von Seitenelementen begrenzt werden, und in den Halbzellen die jeweiligen porösen Elektroden enthalten sind, und eine permeable Trennschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenhalbzelle angeordnet ist, wobei ein Elektrolyteinströmbereich, der mit einem Elektrolytzulauf verbunden ist und ein Elektrolytausströmbereich, der mit einem Elektrolytablauf verbunden ist, vorgesehen ist, wobei der Elektrolyteinströmbereich und der Elektrolytausströmbereich auf gegenüberliegenden Seiten der porösen Elektrode angeordnet ist, so dass ein einströmender Elektrolyt die poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt.
  • Bei Durchströmung der Elektrode in horizontaler Richtung, d. h. in z-Richtung bezogen auf 3, wurde überraschenderweise festgestellt, dass der Druckverlust um ein vielfaches kleiner ist und die Zelle somit mit größeren Abmessungen ausgelegt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp kann sowohl von Flüssigkeiten oder von Gasen oder auch von beidem durchströmt werden. Typischerweise werden dabei als Lösungsmittel anorganische oder organische Säuren verwendet, wobei bevorzugt wässrige Schwefelsäure zum Einsatz kommt. Als mögliche Redoxpaare werden Titan, Eisen, Chrom, Vanadium, Cer, Zink, Brom und Schwefel eingesetzt. Es ist aber auch möglich die erfindungsgemäße Zelle als Zink-Luft-Energiespeicher zu verwenden, so dass die Zelle von einem Zink-Slurry und Luft bzw. Sauerstoff durchströmt wird. Auch andere derartige Anwendungen sind denkbar, in denen ein Salz gelöst in einer Flüssigkeit in einer elektrochemischen Zelle elektrochemisch umgesetzt wird und dabei die Entstehung eines Gases nicht die Hauptreaktion darstellt.
  • Bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle kann es sich um eine Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise, den sogenannten „Single Cell Elements” handeln, wie sie beispielsweise in DE196 41125A beschrieben ist, oder um eine Bauart des Filterpressentyps, wie sie beispielhaft in EP0095039A beschrieben ist. Somit handelt es sich bei den Seitenelementen im Fall der Einzelzellenbauweise um Monopolarelemente und bei den elektrochemischen Zellen des Filterpressentyps um Bipolarelemente. Dabei werden die jeweiligen Seitenelemente bevorzugt als Platten besonders bevorzugt ausgeführt als Bipolarplatten eingesetzt.
  • Die permeable Trennschicht wird ausgewählt aus der Gruppe umfassend permeable Membranen, selektiv permeable Membranen, semi-permeable Membranen, Diaphragmen, Ultrafiltrations-Membranen und keramischen Separatoren.
  • In vorteilhafter Ausführungsform sind der Elektrolyteinströmbereich zwischen permeabler Trennschicht und poröser Elektrode und der Elektrolytausströmbereich zwischen permeabler Trennschicht und Seitenelementen angeordnet oder umgekehrt.
  • In weiterer Ausgestaltung sind der Elektrolyteinströmbereich und/oder der Elektrolytausströmbereich in die porösen Elektroden und/oder die Seitenelemente mittels eines oder mehreren Strömungskanälen integriert. Die Strömungskanäle können dabei parallel zueinander in der porösen Elektrode oder den Seitenelementen angeordnet sein oder sich kreuzen. Es ist jedwede Anordnung von Strömungskanälen denkbar.
  • In weiterer Ausführung wird im Elektrolyteinströmbereich und/oder im Elektrolytausströmbereich eine grobmaschige Stützstruktur vorgesehen. Diese grobmaschige Stützstruktur ist bevorzugt ein Gewebe oder ein Gestrick oder eine andere Komponente, die einen definierten Abstand zwischen permeablen Trennschicht und Elektrode gewährleisten und einen geringen Strömungswiderstand bieten. Dabei wird im Elektrolyteinströmbereich und im Elektrolytausströmbereich die gleiche Ausführungsart der grobmaschigen Stützstruktur oder eine andere grobmaschige Stützstruktur eingesetzt. Diese grobmaschige Stützstruktur kann auch als Perkolator bezeichnet werden.
  • Die grobmaschige Stützstruktur ist dabei aus einem elektrisch leitenden Material oder einem Material mit leitfähiger Beschichtung hergestellt, wobei es sich bevorzugt um eine Kohlenstoffstützstruktur handelt. Es können aber auch andere Materialien verwendet werden. Dabei weist die grobmaschige Stützstruktur einen geringeren Strömungswiderstand auf, als die poröse Elektrode und ist stabil gegenüber den Elektrolyten.
  • Wichtig ist dabei, dass das Material ausreichend elektrisch mit der porösen Elektrode verbunden ist und auch eine gute elektrische Anbindung an die Seitenelemente aufweist. Dieses Gewebe kann eingespart werden, wenn die Seitenelemente und/oder die poröse Elektrode mit entsprechenden Strömungskanälen versehen wird, die ein ungehindertes Abfließen des Elektrolyten gewährleisten und eine ausreichende elektrische Verbindung mit der Elektrode herstellen.
  • An dieser Stützstruktur können bevorzugt, aber nicht zwangsweise, ebenfalls Redox-Reaktionen stattfinden.
  • Die poröse Elektrode ist vorteilhafterweise ein Kohlenstoffvlies, ein Schaum, oder ein Metallschaum. Auch andere Materialien können Verwendung finden.
  • Der Aufbau kann um weitere Schichten erweitert werden, die entweder zu einer gleichmäßigeren Elektrolytverteilung oder zu einer verbesserten Zellperformance, d. h. zu einer höheren Stromdichte, einem höheren Wirkungsgrad oder einer besseren bzw. gleichmäßigeren Stromverteilung oder ähnlichem führen oder sonstige Vorteile zeigen. Auch ist es möglich, dass sich die Kathoden- und Anodenhalbzelle einer einzelnen Zelle vom Aufbau unterscheiden oder der Aufbau der beiden Halbzellen symmetrisch ausgeführt ist.
  • Des Weiteren offenbart die vorliegende Erfindung Zellenstapel einer elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach Anspruch 1.
  • Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp, das sich dadurch auszeichnet, dass eine poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht mit Elektrolyt durchströmt wird.
  • Vorteilhafterweise wird das Verfahren derart realisiert, dass Elektrolyt über einen Elektrolyteinströmbereich, der mit einem Elektrolytzulauf verbunden ist, zugeführt wird, und die poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt wird, und der Elektrolyt über einen Elektrolytausströmbereich, der auf der gegenüberliegenden Seite der porösen Elektrode zum Elektrolyteinströmbereich angeordnet ist, aus der Zelle geführt wird.
  • Der Stand der Technik und die vorliegende Erfindung wird anhand von verschiedenen Figuren näher dargestellt:
  • 1: Schematische Darstellung eines Redox-Flow-Speichers aus dem Stand der Technik.
  • 2: Schematischer Aufbau einer Redox-Flow-Zelle aus dem Stand der Technik.
  • 3 Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, bei der die porösen Elektroden senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt werden.
  • 4 Schematischer Aufbau einer weiteren erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, bei der die porösen Elektroden senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt werden.
  • 5a, b, c Unterschiedliche Anordnungen der Bestandteile einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle.
  • 6a, b, c Dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, die die unterschiedlichen Anordnungen der Bestandteile, wie in den 5a, b, c gezeigt, beeinhaltet.
  • In den 3 und 4 sind erfindungsgemäße elektrochemische Zellen 9 dargestellt. Dabei fließt Elektrolyt 8a, 8b über einen Elektrolytzulauf 13a, 13b in einen Elektrolyteinströmbereich 10, der zwischen permeabler Trennschicht 4 und poröser Elektrode 3a angeordnet ist. In dem Elektrolyteinströmbereich 10 befindet sich eine grobmaschige Stützstruktur 11, die auch als Perkolator bezeichnet wird. Der Elektrolyteinströmbereich 10 weist am Ende der elektrochemischen Zelle, das dem Elektrolytzulauf gegenüberliegt, ein geschlossenes Ende 12 auf. Dadurch wird einströmender Elektrolyt 8a, 8b senkrecht zur permeablen Trennschicht 4, d. h. in z-Richtung, durch die poröse Elektrode 3a, 3b gezwungen. Bei einströmenden Elektrolyt 8a, 8b in den mit einer Stützstruktur 11 gefüllten Elektrolyteinströmbereich 10 füllt sich dieser zunächst gleichmäßig mit Elektrolyt 8a, 8b. Danach strömt der Elektrolyt 8a, 8b gleichmäßig durch die poröse Elektrode 3a, 3b, welche einen größeren Strömungswiderstand bietet als die Stützstruktur 11. Von dort strömt der Elektrolyt 8a, 8b in einen Elektrolytausströmbereich 14, in dem eine weitere grobmaschige Stützstruktur 15 vorgesehen ist, das aus demselben oder einem anderen Material besteht, wie die Stützstruktur 11 im Elektrolyteinströmbereich 10. Daraufhin verlässt der Elektrolyt 8a, 8b die elektrochemische Zelle 9 durch einen Elektrolytablauf 16.
  • 4 unterscheidet sich von 3 nur dadurch, dass der Elektrolytausströmbereich 14 in das Seitenelement 7 über Strömungskanäle 17 integriert ist. Auf die Stützstruktur kann dann verzichtet werden.
  • 5 zeigt unterschiedliche Anordnungen der Bestandteile in einer elektrochemischen Zelle, die senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt wird. In 5a ist die poröse Elektrode 6a, 6b mit integrierten Strömkanälen 17, für den Einströmbereich 10, als auch für den Ausströmbereich 14 gezeigt. In 5b wird der Elektrolyteinströmbereich 10 über eine grobmaschige Stützstruktur 11 realisiert und die Strömungskanäle 17 sind in die poröse Elektrode 6a, 6b eingearbeitet. In 5c werden der Elektrolyteinströmbereich 10 und der Elektrolytausströmbereich 14 über Strömungskanäle 17 dargestellt. Dabei befinden sich die Strömungskanäle 17 des Elektrolyteinströmbereichs 10 in der porösen Elektrode 6a, 6b und die Strömungskanäle des Elektrytausströmbereichs 14 befinden sich in den Seitenelementen 7. Die Form und Anordnung der Strömungskanäle kann hierbei beliebig gewählt werden.
  • In den 6a, b, c sind die in den 5a, b, c dargestellten Anordnungen von Bestandteilen einer elektrochemischen Zelle in dreidimensionaler Ansicht dargestellt. Im oberen Teil 18 der Abbildung wird die Sicht auf die Seite der elektrochemischen Zelle gezeigt, aus der Elektrolyt über einen Elektrolytablauf 16 ausgeführt wird und im unteren Bereich der Abbildung 19 wird die Sicht auf die Seite der elektrochemische Zelle gezeigt, aus der Elektrolyt über einen Elektrolytzulauf 13 in die Zelle einströmt.
  • Nachstehend soll die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden.
  • Der Druckverlust in einer Zelle nach dem Stand der Technik mit einer aktiven Fläche von 1 m2 mit den Abmessungen 1 m × 1 m kann wie folgt berechnet werden.
  • Für eine Entladung des Elektrolyten um 20% pro Verweilzeit bei einer angenommenen Leistungsdichte von 500 W/m2 kann angenommen werden, dass ein Elektrolytvolumenstrom von knapp 39 L/h benötigt wird. Wird ein Vlies als Elektrode verwendet, dass eine Dicke von 6 mm und eine Permeabilität von 1,6 E–10 m2 hat und dieses wie üblich um 25% komprimiert wird (Permeabilität des komprimierten Vlieses 4,0 E–11), so kann aus diesen Angaben der entstehende Druckverlust innerhalb der Zelle nach folgender Formel berechnet werden: Druckverlust = Volumenstrom·Viskosität·Länge/(Permeabilität·Querschnittsfläche)
  • Bei einer durchschnittlichen Viskosität des Elektrolyten von 1,0 E–2 Pas läst sich somit ein Druckverlust von ca. 0,6 MPa ermitteln.
  • Nach der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Methode mit einer Durchströmung des Vlieses in Z-Richtung würde sich bei ansonsten gleichen Bedingungen und unter Vernachlässigung der Druckverluste in den Ein- & Ausströmbereichen 10 & 14 der Druckverlust auf ca 1,2·10–5 MPa deutlich reduzieren. Das entspricht einem Verhältnis von etwa 50.000:1.
  • Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben:
    Durch diesen Aufbau kann nicht nur der Druckverlust innerhalb der Zelle um ein vielfaches reduziert werden, auch kann dadurch vermieden werden, dass der Elektrolyt über die Höhe und Breite der Zelle mit einem stark unterschiedlichen Ladungszustand vorliegt. Dies hat zur Folge, dass die Wahrscheinlichkeit für Nebenreaktionen über die gesamte Fläche der Zelle die gleiche ist und dadurch die maximale Änderung des SOC des Elektrolyten pro Verweilzeit in der Zelle erreicht werden kann und auch bei deutlich höheren Stromdichten gearbeitet werden kann, wodurch ein geringerer Volumenstrom nötig ist, somit weniger Pumpleistung und damit ein höherer Systemwirkungsgrad erzielt werden kann. Des Weiteren sehen die einzelnen Komponenten wie permeable Trennschicht, Elektrode und Seitenelement über die Höhe und Breite den gleichen Ladungszustand, was sich positiv auf Zellperformance und Haltbarkeit der Komponenten auswirkt. Somit ist es möglich elektrochemische Zellen mit Elektroden bestehend aus einem Vlies oder ähnlichem in einer größeren geometrischen Dimension als den bisherigen Stand der Technik herzustellen bzw. wirtschaftlich zu betreiben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Tanks
    2
    elektrochemische Zelle
    3a, 3b
    poröse Elektroden/Vlies
    4
    permeable Trennschicht
    5
    Netzanschluss
    6a, 6b
    Vlies/poröse Elektrode
    7
    Seitenelement
    8a
    Anlolyt
    8b
    Katholyt
    9
    erfindungsgemäße elektrochemische Zelle
    10
    Elektrolyteinströmbereich
    11
    grobmaschige Stützstruktur/Perkolator
    12
    geschlossenes Ende des Elektrolyteinströmbereichs
    13a, 13b
    Elektrolytzulauf
    14
    Elektrolytausströmbereich
    15
    weitere Stützstruktur (Perkolator)
    16
    Elektrolytablauf
    17
    Strömungskanäle
    18
    oberer Bereich der 6
    19
    unterer Bereich der 6
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (11)

  1. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp, umfassend eine Anoden- und eine Kathodenhalbzelle, die von Seitenelementen begrenzt werden, und in den Halbzellen die jeweiligen porösen Elektroden enthalten sind, und eine permeable Trennschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenhalbzelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyteinströmbereich, der mit einem Elektrolytzulauf verbunden ist und ein Elektrolytausströmbereich, der mit einem Elektrolytablauf verbunden ist, vorgesehen ist, wobei der Elektrolyteinströmbereich und der Elektrolytausströmbereich auf gegenüberliegenden Seiten der porösen Elektrode angeordnet ist, so dass einströmender Elektrolyt die poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt.
  2. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyteinströmbereich zwischen permeabler Trennschicht und poröser Elektrode und der Elektrolytausströmbereich zwischen poröser Elektrode und Seitenelementen angeordnet ist oder umgekehrt.
  3. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyteinströmbereich und/oder der Elektrolytausströmbereich in die porösen Elektroden und/oder die Seitenelementen mittels eines oder mehreren Strömungskanälen integriert ist.
  4. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektrolyteinströmbereich und/oder im Elektrolytausströmbereich eine grobmaschige Stützstruktur vorgesehen ist.
  5. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die grobmaschige Stützstruktur ein Gewebe oder ein Gestrick ist.
  6. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die grobmaschige Stützstruktur aus einem elektrisch leitenden Material oder einem Material mit elektrisch leitfähiger Beschichtung hergestellt ist, wobei es sich bevorzugt um eine Kohlenstoffstützstruktur handelt.
  7. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die grobmaschige Stützstruktur einen geringeren Strömungswiderstand bietet, als die poröse Elektrode.
  8. Elektrochemische Zelle vom Durchflusstyp nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der porösen Elektrode um ein Kohlenstoffvlies, um Schäume oder um Metallschäume handelt.
  9. Zellenstapel einer elektrolytischen Zelle vom Durchflusstyp nach Anspruch 1.
  10. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle vom Durchflusstyp, dadurch gekennzeichnet, dass eine poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht mit Elektrolyt durchströmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrolyt über einen Elektrolyteinströmbereich, der mit einem Elektrolytzulauf verbunden ist, zugeführt wird und die poröse Elektrode senkrecht zur permeablen Trennschicht durchströmt wird, und der Elektrolyt über einen Elektrolytausströmbereich, der auf der gegenüberliegenden Seite der porösen Elektrode zum Elektrolyteinströmbereich angeordnet ist, aus der Zelle geführt wird.
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