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Die Erfindung betrifft ein Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, mit einer Mehrzahl von einander angrenzenden, elektrisch miteinander verschalteten Zellen, die jeweils eine Zellwand aus einem isolierenden Material aufweisen, die einen Hohlraum umschließt, in dem eine ionenleitende Membran verläuft, wobei auf jeder Seite der Membran Elektroden angeordnet sind, die mit einem Elektrolyten in Wechselwirkung stehen.
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Ein derartiger Verbund von elektrochemischen Zellen ist aus der
WO 2011/075135 A1 bekannt.
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Hierbei sind die einzelnen Zellen über Bipolarplatten, die zwischen benachbarten Zellen angeordnet sind, miteinander verschaltet.
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Die Verwendung von Bipolarplatten zur Verschaltung der Zellen ist aufwendig und erhöht den Gesamtwiderstand des Zellverbundes.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbund von elektrochemischen Zellen zu schaffen, der einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist und möglichst eine verbesserte Leistungsfähigkeit besitzt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verbund gemäß der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeweils benachbarte Zellen, die durch eine Zellwand voneinander getrennt sind, durch eine gemeinsame Elektrode miteinander elektrisch verbunden sind, die durch die Zellwand verläuft und einen zur Membran nicht parallelen, dreidimensionalen Verlauf aufweist.
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Auf diese Weise wird einerseits eine elektrische Verschaltung von benachbarten Zellen unmittelbar über einen gemeinsame Elektrode ermöglicht. Andererseits wird durch einen zur Membran nicht parallelen, dreidimensionalen Verlauf der Elektrode eine vergrößerte Fläche bereitgestellt, so dass sich eine verbesserte Wechselwirkung zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten ergibt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Membran eben ausgebildet, wobei die Elektroden teilweise parallel zur Membran und teilweise senkrecht zur Membran verlaufen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Membran eben ausgebildet, wobei die Elektroden zumindest teilweise einen gekrümmten Bereich aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Elektrode die Form einer eben abwickelbaren Fläche auf.
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Durch diese Merkmale wird eine vergrößerte Elektrodenfläche ermöglicht, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist zumindest eine Elektrode eine in sich geschlossene Fläche auf. Es kann sich also hierbei beispielsweise um einen geschlossene ovale Form oder um eine rechteckförmige Form handeln.
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Hierdurch wird es ermöglicht, die jeweilige Elektrode sehr nah an die zugeordnete Membran heranzubringen, was wiederum vorteilhaft für den Wirkungsgrad ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest eine Elektrode einen mäanderartigen Verlauf auf.
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Auf diese Weise kann die Elektrode mit einer großen Oberfläche ausgestaltet sein und sich über die gesamte Breite der zugeordneten Zelle erstrecken.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bilden die Elektroden ausgehend von der Zellwand, durch die sie hindurchgeführt sind, auf beiden Seiten geschlossene Schleifen.
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Auf diese Weise können die lediglich an der Zellwand befestigten Elektroden ausreichende Stabilität aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erstrecken sich die Elektroden bis in die Nähe der zugeordneten Membranen, und weisen vorzugsweise einen Abstand von der zugeordneten Membran von maximal 10 mm auf, und sind bevorzugt bis zur Berührung an die Membran herangeführt.
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Auf diese Weise wird ein geringer Abstand zwischen Elektroden und Membran ermöglicht, was die Effizienz des Zellverbundes verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Durchströmung der Zellen mittels Elektrolyten vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass sich ein Massenfluss im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Elektroden ergibt.
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Auf diese Weise ergibt sich einen optimale Wechselwirkung zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Durchströmung der Zellen an zumindest einem Ende ein Verteiler vorgesehen, der eine Folge von Austrittsöffnungen aufweist, die einen Elektrolytfluss in einen jeweils von einer Schleife umschlossenen Raum erlaubt.
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Auf diese Weise wird eine einfache Zufuhr des Elektrolyten und eine gute Durchströmung mittels des Elektrolyten ermöglicht.
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Vorzugsweise stehen hierbei die Austrittsöffnungen jeweils in den von einer Schleife umschlossenen Raum hervor. Zuflussöffnungen weisen vorzugsweise in jede zweite Schleife, Abflussöffnungen sind vorzugsweise komplementär dazu angeordnet.
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Auf diese Weise ist eine gute Verteilung des Elektrolyten gewährleistet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Elektroden aus porösem Material und sind jeweils im Bereich einer Durchführung durch die Zellwand mit einem Kunststoff zu einem elektrisch leitfähigen Festkörper verdichtet, der fluiddicht mit der Zellwand verbunden ist.
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Auf diese Weise ist einerseits eine gute Wechselwirkung der Elektroden mit dem Elektrolyten gewährleistet und andererseits eine fluiddichte Durchführung durch die Zellwand.
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Vorzugsweise bestehen die Zellwände aus Kunststoff und sind im Bereich der Durchführung stoffschlüssig mit den Elektroden verbunden.
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Auf diese Weise ist eine einfache Herstellung und ein einfacher Aufbau gewährleistet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Elektroden aus einer Kohlenstoffmodifikation, insbesondere Graphit, Graphitpapier oder Kohlenstofffasern, einem Metall oder einer leitfähigen Keramik, vorzugsweise in Form eines offenporigen Schaums, eines Filzes, Fließes oder Gewebes.
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Eine derartige Elektrodencharakteristik hat sich als besonders wirksam erwiesen.
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Durch die Erfindung wird ferner eine Redox-Flussbatterie mit einem Verbund gemäß der vorstehend beschriebenen Art bereitgestellt, mit einem Speicher für einen Katholyten, mit einem Speicher für einen Anolyten, die jeweils über eine Pumpe und zugeordnete Leitungen mit den Zellen in Verbindung stehen, um diese zu durchströmen, und mit einem externen Stromkreis, der an den Verbund über Elektrodenanschlüsse angeschlossen ist und einen Verbraucher oder eine Spannungsquelle beinhaltet.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine Veranschaulichung der verwendeten Hauptrichtungen bei einem erfindungsgemäßen Verbund;
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2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer Halbzelle mit einer mäanderartig angeordneten Elektrode;
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3 eine alternative Ausführung der Elektroden, die jeweils als ebene, in sich geschlossene Flächen ausgebildet sind, die beidseits aus der Zellwand als geschlossene Schleifen hervorstehen, in einer Aufsicht auf die Zellwand;
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4 einen vergrößerten schematischen Querschnitt durch eine Zellwand mit einer Durchführung der Elektrode, die mittels Kunststoff stoffschlüssig mit der Zellwand verbunden und abgedichtet ist;
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5 einen vergrößerten Schnitt durch die Elektroden gemäß der Linie V-V gemäß 2, wobei zusätzlich am oberen Ende ein Verteiler zur Zufuhr von Elektrolyt angedeutet ist, und
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6 den schematischen Aufbau einer Redox-Flussbatterie unter Verwendung eines Verbundes von Zellen gemäß 2 oder 3.
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In 1 sind die Hauptrichtungen als Achsensystem dargestellt.
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In der longitudinalen Richtung L erfolgt der Stromfluss, angedeutet durch D– und DC+. Senkrecht zur Stromrichtung sind die Membranen M angeordnet. Die Membranen M erstrecken sich somit in Richtung der beiden übrigen zur longitudinalen Richtung L senkrechten Transversalrichtungen T1 und T2. Zwischen den Membranen M verlaufen auch die Elektroden, die jeweils mit einer eben abwickelbaren Fläche ausgebildet sind, die sich in Richtung T1 erstreckt, so dass die Oberfläche der Elektroden parallel vom Elektrolyten angeströmt werden kann, was durch den Massenstrom Qm + und Qm – angedeutet ist. Die Elektroden verlaufen in einer später noch erläuterten Weise in Richtung der zweiten Transversalrichtung T2 und decken somit den gesamten Hohlraum der Zelle ab.
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Der Elektrolyt strömt senkrecht zur Stromrichtung, und zwar in einer Richtung T1, die parallel zur Membran M und zu den Elektroden verläuft.
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In 2 ist nun der Aufbau einer Zelle 10 perspektivisch dargestellt.
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Es handelt sich hierbei um eine Halbzelle 10 mit einer Zellwand 12 aus einem isolierenden Kunststoff, der beständig gegenüber dem Elektrolyten in jedem Ladezustand ist.
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Parallel zur Zellwand 12 verläuft in einem vorgegebenen Abstand die Membran 14, die in einem Rahmen 16 aus dem gleichen Kunststoff aufgenommen ist. Die Membran 14 ist unter Verwendung von geeigneten Distanzstücken in eine die Zelle 10 seitlich abschließende Wand eingebettet oder kann unmittelbar in der seitlichen Zellwand aufgenommen sein, was beispielsweise bei einer Spritzgussherstellung ermöglicht ist.
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Auf der anderen, der Membran 14 gegenüberliegenden Seite der Zellwand 12 ist eine weitere Membran 14 gleichfalls in einem Rahmen 16 im gleichen Abstand zur Zellwand 12 aufgenommen (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).
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Die Elektrode 16 hat die Form eines flachen Bandes, das sich mäanderartig erstreckt und jeweils einer schlitzartigen Durchführung 22 durch die Zellwand 12 hindurch erstreckt, auf der gegenüberliegenden Seite eine geschlossene Schleife bildet und wieder zurück durch eine schlitzartige Durchführung zur anderen Seite der Zellwand 12 herausgeführt ist und dort wieder eine geschlossene Schleife bildet. Der Mäander erstreckt sich also entlang der Längsrichtung der Zellwand 12. Auf beiden Seiten der Zellwand 12 sind also geschlossene Schleifen 20 gebildet, jeweils mit einem zur Zellwand 12 parallelen Abschnitt 17 und zwei zueinander parallelen, zur Zellwand 12 senkrecht verlaufenden Abschnitten 18. Zwischen dem parallelen Abschnitt 17 und den senkrechten Abschnitten 18 ist jeweils ein gekrümmter Übergangsabschnitt 19 vorgesehen.
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Jeweils eine Membran 14 bildet zusammen mit einer Elektrode 16 auf jeder Seite der Membran 14 eine Halbzelle 10 gemäß 2. Durch die Elektroden 16 werden die zwei benachbarten Halbzellen 10 unterschiedlicher Polarität seriell miteinander verschaltet, so dass sich ein seriell verschalteter Verbund von Zellen 10 ergibt. Auf diese Weise kann auf die Verwendung von Bipolarplatten verzichtet werden.
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Die Elektroden 16 bestehen vorzugsweise aus einer Kohlenstoffmodifikation, etwa aus einer, zwei oder mehreren Lagen von Graphitpapier, wie beispielhaft in 4 angedeutet. Es kann sich auch um einen Faserverbund, um einen Fließ, eine Webanordnung oder eine ähnliche Anordnung handeln. Im Bereich der Durchführung 22 durch die Zellwand 12 ist die Elektrode 16 mit dem gleichen Kunststoffmaterial, aus dem die Zellwand 12 besteht, verdichtet, und stoffschlüssig mit der Zellwand 12 verbunden. Somit ergibt sich eine fluiddichte, stoffschlüssige Verbindung zwischen der Elektrode 16 und der Zellwand 12 im Bereich der Durchführung 22. Die Elektroden 16 verlaufen mit nur einem geringen Abstand zur Membran 14, der beispielsweise im Bereich von einer Berührung bis 10 mm liegen kann, so dass ein guter Austausch gewährleistet ist.
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In 2 ist die Zellwand 12 lediglich rein schematisch mit einer relativ großen Dicke dargestellt. In der Praxis ist die Zellwand 12 im Vergleich zum Abstand zwischen benachbarten Membranen 14 mit einer vorzugsweise deutlich geringeren Stärke ausgestaltet.
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In 2 ist die Flussrichtung des Elektrolyten mittels eine Pfeils Q angedeutet. Der Fluss Q erfolgt etwa parallel zur Oberfläche der Elektrode 16.
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In 3 ist eine alternative Ausführung der Zelle 10 dargestellt und insgesamt mit 10a bezeichnet. Hierbei werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.
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Gezeigt ist hier die Aufsicht die Zellwand 12, durch die hindurch die Elektroden 16 verlaufen.
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Bei der Ausführung gemäß 3 sind die Elektroden 16 nicht durchgehend mäanderförmig aus einem bandartigen Material hergestellt, sondern bilden jeweils in sich geschlossene Elektroden 16 mit einem rechteckförmigen Grundriss, die jeweils an den benachbarten Elektroden 16 anliegen.
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Wiederum sind die Elektroden 16 im Bereich der Durchführung 22 mit Kunststoff verdichtet und einstückig mit der Zellwand 12 ausgebildet.
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Die Zellwand 12 besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie etwa Polypropylen oder Polyethylen.
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Bei der Ausführung gemäß 3 ist eine Folge von Elektroden 16 entlang der Zellwand 12 ausgebildet, wobei die Elektroden 16 auf beiden Seiten aus der Zellwand 12 symmetrisch nach außen hervorstehen und geschlossene Schleifen 20 bilden.
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Auf diese Weise wird im Vergleich zur Ausführung gemäß 2 eine noch weiter vergrößerte Elektrodenoberfläche erzielt, wodurch die Wechselwirkung mit dem jeweiligen Elektrolyten verbessert wird.
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Nicht dargestellt bei den Abbildungen gemäß der 2 und 3 sind die zugeordneten äußeren Zellwände. Um die Abdichtung unter benachbarten Zellen zu erreichen, können sie z.B. umlaufende Dichtungsnuten mit Dichtungen besitzen. Es können auch Mittel zum Spannen der einzelnen Zellen 10 bzw. 10a vorgesehen sein oder nach Art von Spanten in einen alle Zellen 10, 10a übergreifenden mit entsprechenden Nuten versehenen Behälter eingesetzt werden, um hermetische Dichtheit nach außen zu gewährleisten.
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Nicht dargestellt sind Mittel zum Anschluss der Elektrolytzuführung und -abführung, sowie Elektrolytumwegleitungen zur Unterdrückung des Shunteffektes.
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In der Schnittdarstellung gemäß 5 ist zusätzlich beispielhaft angedeutet, wie die Zuführung des Elektrolyten am oberen Ende der jeweiligen Schleifen 20 über einen Verteiler 26 erfolgen kann, der ein Rohr 28 aufweist, von dem ausgehend sich Vorsprünge 30, die düsenartig ausgebildet sein können, bis in die Zwischenräume zwischen benachbarten, senkrechten Bereichen 18 der Elektrode 16 erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich hierbei die Austrittsöffnungen 30 bis in die Zwischenräume zwischen den benachbarten Abschnitten 18 der Elektrode 16 hinein, so dass sich eine Überlappung ergibt, die in 5 mit d bezeichnet ist. Dabei kann das Maß d die Länge der Ansätze 30 erreichen, so dass sich eine gewisse Dichtwirkung dort ergibt, wo die Stirnfläche der Elektroden 16 an den Verteiler 26 stößt. Zuflussöffnungen 30 weisen in jede zweite Schleife 20, Abflussöffnungen (nicht dargestellt) sind komplementär dazu am gegenüberliegenden Ende der Elektrode 16 ausgebildet.
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Auf diese Weise ist eine Durchströmung mit dem Elektrolyten etwa parallel zur Oberfläche der Elektrode 16 gewährleistet, wie in 5 durch den Pfeil mit Q angedeutet ist.
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In 4 sind die einzelnen Lagen des Graphitpapiers mit 24 angedeutet. Zusätzlich können beispielsweise CNT-Faserbündel eingelagert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Die CNT-Faserbündel sind säurebeständige, elektrisch leitfähige Faserbündel, die in Kontakt mit den Fasern sind, aus denen das Graphitpapier 24 besteht. CNT-Faserbündel lassen sich grundsätzlich mit Graphitpapier verbinden.
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Im Betrieb wird jede Halbzelle 10 auf jeder Seite der Zellwand 12 von einem Elektrolyten unterschiedlicher Polarität durchströmt, etwa von einem Katholyten auf der linken Seite gemäß 2 und von einem Anolyten auf rechten Seite der Zellwand 12 gemäß 2. Durch die Elektrode 16 werden so benachbarte Halbzellen 10 unterschiedlicher Polarität seriell miteinander verschaltet.
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In 6 ist rein schematisch dargestellt, wie mit einem derartigen Verbund 60 von Zellen eine Redox-Flussbatterie 40 aufgebaut werden kann.
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Redox-Flussbatterien basieren auf dem Prinzip, das zwei Elektrolyte durch die Halbzellen einer elektrochemischen Zelle strömen und dabei auf der Oberfläche der Elektroden ihre Oxidationsstufe ändern. Die bei den Halbzellreaktionen abgegebenen bzw. aufgenommenen Elektronen verrichten über einen externen Stromkreis Arbeit. Geschlossen wird der Stromkreis durch eine ionenleitfähige Membran, welche für den Ladungsausgleich zwischen den beiden Halbzellen sorgt.
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In 6 sind beispielhaft zwei mittlere Halbzellen 10 dargestellt, die durch zwei endseitige Halbzellen 10b nach außen abgeschlossen sind und somit einen Verbund 60 bilden. Die benachbarten Zellen 10, 10b sind, wie zuvor bereits erläutert, seriell miteinander verschaltet. Die entsprechenden Elektrodendurchführungen 53, 54 an den Enden sind über einen externen Stromkreis 55 an einen elektrischen Verbraucher 56 angeschlossen, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. In diesem Fall gibt die Redox-Flussbatterie 40 Leistung ab. Ist anstelle eine Verbrauchers 56 eine Spannungsquelle angeschlossen, so wird die Redox-Flussbatterie 40 geladen.
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Es sind zwei Speicher 44, 46 für die elektrochemisch aktiven Medien (Katholyt bzw. Anolyt) vorgesehen, die zum Durchströmen der Kathodenräume bzw. Anodenräume vorgesehen sind. Aus jedem Speicher 44 bzw. 46 wird der entsprechend geladene Elektrolyt über eine Pumpe 47 bzw. 48 und über Zuflussleitungen 49 bzw. 51 den jeweiligen Halbzellen 10, 10b zugeführt und auf der gegenüberliegenden Seite über Abflussleitungen 50 bzw. 52 abgeführt und wieder zurück in den jeweiligen Speicher 44 bzw. 46 geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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