DE102014103292A1 - Composite of electrochemical cells - Google Patents

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Hannes Barsch
Sven Worm
Christian Schmid
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Abstract

Es wird ein Verbund (20) von elektrochemischen Zellen (26, 26a, 26b), insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, angegeben, mit seriell verschalteten Zellen (26, 26a, 26b), die jeweils eine anodische Halbzelle (27, 28a, 27b) und eine angrenzende kathodische Halbzelle (28, 27a, 28b) aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran (22) miteinander verbunden sind, und mit Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand (12) umschlossen sind und mit elektrochemisch aktivem Medium gefüllt sind, und wobei ausgewählte benachbarte Halbzellen (28, 28a; 27a, 27b) durch monolithische Elektroden (18a, 18b) seriell miteinander verschaltet sind.The invention relates to a composite (20) of electrochemical cells (26, 26a, 26b), in particular for a redox flow battery, with cells (26, 26a, 26b) connected in series, each having an anodic half-cell (27, 28a, 27b ) and an adjacent cathodic half cell (28, 27a, 28b) interconnected by an ion conducting membrane (22) and electrodes (18, 18a, 18b, 18c) extending in the half cells, the half cells are each enclosed by an electrically insulating cell wall (12) and filled with electrochemically active medium, and wherein selected adjacent half-cells (28, 28a, 27a, 27b) are connected in series with one another by monolithic electrodes (18a, 18b).

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, mit seriell verschalteten Zellen, die jeweils eine anodische Halbzelle und eine angrenzende kathodische Halbzelle aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran miteinander verbunden sind, und mit Elektroden, die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand umschlossen sind und mit elektrochemisch aktiven Medien gefüllt sind.The invention relates to a composite of electrochemical cells, in particular for a redox flow battery, with series-connected cells, each having an anodic half-cell and an adjacent cathodic half-cell, which are interconnected by an ion-conducting membrane, and with electrodes which are in the Half cells extend, wherein the half-cells are each enclosed by an electrically insulating cell wall and filled with electrochemically active media.

Eine Redox-Flussbatterie (auch "Redox-Flow-Zelle" genannt) speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, indem die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Wie etwa aus der WO 2010/094657 A1 , der EP 2 648 257 A1 oder der WO 2011/075135 A1 bekannt, zirkulieren dabei die zwei energiespeichernden Elektrolyte in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen der Ionenaustausch in der Zelle über eine ionenleitende Membran erfolgt. Die energiespeichernden Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks gelagert. Redox-Flussbatterien basieren auf dem Prinzip, dass 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 Elektroden verrichten über den externen Stromkreis Arbeit. Im Stand der Technik wird meist poröser Kohlenstoff bzw. Graphit als Elektrodenmaterial verwendet, welches von dem Elektrolyten durchströmt wird. Die Halbzellen werden in der Regel koplanar gestapelt (vgl. EP 2 648 257 A1 ), wobei der Elektrolytfluss von einer Stirnseite des Elektrodenmaterials zur anderen führt. Das Durchströmen des Elektrodenmaterials in der Zellebene bewirkt hierbei einen hohen Druckabfall und eine hohe Differenz der Konzentration der reaktiven Spezies zwischen Einlauf- und Auslaufseite.A redox flow battery (also called "redox flow cell") stores electrical energy in chemical compounds by having the reactants in a solvent in dissolved form. How about from the WO 2010/094657 A1 , of the EP 2 648 257 A1 or the WO 2011/075135 A1 As is known, the two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between which the ion exchange in the cell takes place via an ion-conducting membrane. The energy-storing electrolytes are stored outside the cell in separate tanks. Redox flux batteries are based on the principle that two electrolytes flow through the half cells of an electrochemical cell, changing their oxidation state on the surface of the electrodes. The delivered or received in the half-cell reactions electrodes perform work on the external circuit. In the prior art, porous carbon or graphite is mostly used as electrode material, which is flowed through by the electrolyte. The half-cells are usually stacked coplanar (see. EP 2 648 257 A1 ), wherein the flow of electrolyte leads from one end face of the electrode material to the other. The passage of the electrode material in the cell plane causes a high pressure drop and a high difference in the concentration of the reactive species between the inlet and outlet side.

Die Halbzellen werden von einer dünnen, ionenleitenden Kunststoffmembran getrennt. Die koplanar gestapelten Zellen werden meist über Bipolarplatten aus einem Kohlenstoff-Kunststoff-Komposit miteinander elektrisch leitend verbunden, die gleichzeitig einen Austausch der Elektrolyte zwischen zwei Zellen verhindern. Um den Kontaktwiderstand zwischen den Bipolarplatten und den porösen Elektrodenmaterialien (typischerweise Graphitfilz) zu minimieren, werden die Komponenten senkrecht zu den Zellebenen verpresst. Dies führt zu einer unerwünschten Kompression des porösen Elektrodenmaterials, was den hydrodynamischen Flusswiderstand in der Zelle erhöht und auf die Dauer das poröse Elektrodenmaterial zerbröselt. Ferner werden die Funktionsmaterialien koplanar gestapelt. Um das System fluiddicht aufzubauen, sind an den Grenzflächen zwischen den Funktionsmaterialien Dichtungen nötig.The half cells are separated by a thin, ion-conducting plastic membrane. The cells stacked coplanar are usually electrically connected to each other via bipolar plates made of a carbon-plastic composite, which simultaneously prevent an exchange of electrolytes between two cells. To minimize the contact resistance between the bipolar plates and the porous electrode materials (typically graphite felt), the components are pressed perpendicular to the cell planes. This results in undesirable compression of the porous electrode material, which increases the hydrodynamic flow resistance in the cell and, over time, crumbles the porous electrode material. Furthermore, the functional materials are stacked coplanar. In order to build up the system in a fluid-tight manner, seals are required at the interfaces between the functional materials.

Gemäß der WO 2011/075135 A1 werden die Zellen über spezielle Bipolarplatten miteinander verschaltet. Dadurch soll der Flusswiderstand reduziert werden. Jedoch ist die Anordnung sehr kompliziert. Auch ist die Verwendung von Bipolarplatten als nachteilig anzusehen. Die Material- und Montagekosten sind hoch. Außerdem sind Dichtungen erforderlich, die undicht werden können. Außerdem ergeben sich Übergangswiderstände zu den Elektroden.According to the WO 2011/075135 A1 The cells are interconnected via special bipolar plates. This should reduce the flow resistance. However, the arrangement is very complicated. The use of bipolar plates is to be regarded as disadvantageous. The material and assembly costs are high. In addition, seals are required that can leak. In addition, contact resistances to the electrodes result.

Die bekannten Verbunde von elektrochemischen Zellen, die insbesondere bei Redox-Flussbatterien verwendet werden, weisen somit erhebliche Nachteile auf, insbesondere einen komplizierten Aufbau, einen hohen Innenwiderstand und eine geringe Effizienz des elektrochemischen Zellverbunds.The known composites of electrochemical cells, which are used in particular in redox flow batteries, thus have significant disadvantages, in particular a complicated structure, a high internal resistance and a low efficiency of the electrochemical cell assembly.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Verbund von elektrochemischen Zellen zu schaffen, bei dem die Zellen seriell miteinander verschaltet sind und womit sich ein vereinfachter Aufbau und insbesondere ein verringerter Innenwiderstand ergibt.Against this background, the invention has for its object to provide an improved composite of electrochemical cells in which the cells are connected in series with each other and what with a simplified structure and in particular a reduced internal resistance results.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, gelöst, mit seriell verschalteten Zellen, die jeweils eine anodische Halbzelle und eine angrenzende kathodische Halbzelle aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran miteinander verbunden sind, und mit Elektroden, die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand umschlossen sind und mit elektrochemisch aktiven Medien gefüllt sind, und wobei ausgewählte benachbarte Halbzellen durch monolithische Elektroden seriell miteinander verschaltet sind.This object is achieved by a combination of electrochemical cells, in particular for a redox flux battery, with series-connected cells, each having an anodic half-cell and an adjacent cathodic half-cell, which are interconnected by an ion-conducting membrane, and with electrodes, the extend in the half-cells, wherein the half-cells are each enclosed by an electrically insulating cell wall and are filled with electrochemically active media, and wherein selected adjacent half-cells are connected in series by monolithic electrodes.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The object of the invention is completely solved in this way.

Durch die serielle Verschaltung von ausgewählten benachbarten Halbzellen mittels monolithischer Elektroden kann auf die Verwendung von Bipolarplatten zur Verbindung der Zellen verzichtet werden. Auf diese Weise ergibt sich eine deutliche Vereinfachung des Aufbaus und gleichzeitig eine Reduzierung des Innenwiderstands des Zellverbundes.By the serial connection of selected adjacent half cells by means of monolithic electrodes can be dispensed with the use of bipolar plates for connecting the cells. In this way, there is a significant simplification of the structure and at the same time a reduction of the internal resistance of the cell assembly.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Membran in einer Ebene, wobei auf einer ersten Membranseite abwechselnd anodische und kathodische Halbzellen aneinander angrenzend entlang der Membran angeordnet sind, wobei auf einer zweiten Membranseite komplementär kathodische und anodische Halbzellen aneinander angrenzend entlang der Membran angeordnet sind, so dass entlang der Membran eine Folge von aneinander angrenzenden Zellen alternierender Orientierung gebildet ist, wobei abwechselnd jeweils angrenzende Halbzellen auf einer Membranseite gegeneinander isoliert sind und die zugeordneten Halbzellen auf der anderen Membranseite über eine monolithische Elektrode miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sich ein mäanderartiger Strompfad durch die Zellen ergibt.According to a further embodiment of the invention, the membrane extends in a plane, alternately anodic and cathodic half-cells being arranged adjacent to one another along the membrane on a first membrane side, complementary cathodic and anodic half-cells being arranged adjacent to one another along the membrane on a second membrane side, such that along the membrane a series of contiguous alternating orientation cells is formed, each alternating adjacent half-cells are isolated on a membrane side against each other and the associated half-cells are electrically connected to each other on the other side of the membrane via a monolithic electrode, so that a meandering current path results through the cells.

Der mäanderartiger Strompfad verläuft vorzugsweise abwechselnd jeweils von einer Halbzelle auf der einen Membranseite durch die Membran in die zugeordnete Halbzelle auf der anderen Membranseite, von dort über eine monolithische Elektrode in die angrenzende Halbzelle auf derselben Membranseite, von dort durch die Membran zurück zur gegenüberliegenden Membranseite in die zugeordnete Halbzelle, von wo aus sich der Strompfad in Abhängigkeit von der Anzahl der entlang der Membran angeordneten Halbzellen entweder in entsprechender Weise fortsetzt oder über eine Elektrode durch eine Zellwand nach außen geführt ist.The meandering current path preferably runs alternately from one half cell on the one membrane side through the membrane into the associated half cell on the other membrane side, from there via a monolithic electrode into the adjacent half cell on the same membrane side, from there through the membrane back to the opposite membrane side in FIG the associated half-cell, from where the current path, depending on the number of half-cells arranged along the membrane, either continues in a corresponding manner or is conducted through an electrode through a cell wall to the outside.

Auf diese Weise wird ein kompakt und einfach aufgebauter Verbund von elektrochemischen Zellen bereitgestellt, die seriell miteinander verschaltet sind. Da benachbarte Zellen jeweils über eine monolithische Elektrode miteinander verschaltet sind, die in eine angrenzende Halbzelle eingreift, und im Übrigen der Strompfad jeweils von einer Halbzelle auf einer Seite der Membran durch die Membran zur anderen Seite der Membran in die zugeordnete Halbzelle verläuft, von der aus wiederum der Strompfad über die monolithische Elektrode in die benachbarte Halbzelle fortschreitet, ergibt sich ein äußerst kompakter Aufbau und ein geringer Innenwiderstand des Zellverbundes.In this way, a compact and simply constructed composite of electrochemical cells is provided, which are connected in series with each other. Since adjacent cells are each interconnected via a monolithic electrode, which engages in an adjacent half-cell, and incidentally, the current path in each case passes from a half-cell on one side of the membrane through the membrane to the other side of the membrane in the associated half-cell, from the In turn, the current path via the monolithic electrode in the adjacent half cell progresses, results in an extremely compact design and low internal resistance of the cell network.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Halbzellen jeweils Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen zur Durchströmung mit elektrochemisch aktivem Medium auf.According to a further embodiment of the invention, the half-cells each have inflow openings and outflow openings for the flow through with electrochemically active medium.

Auf diese Weise kann ein aktiver Austausch des aktiven Mediums gewährleistet werden, wie etwa bei einer Redox-Flusszelle erforderlich.In this way, an active exchange of the active medium can be ensured, as required for example in a redox flow cell.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Querschnitte der Halbzellen entlang der Strömungsrichtung des elektrochemisch aktiven Mediums variiert, um einem Druckabfall entlang des jeweiligen Strömungsweges entgegenzuwirken.According to a further embodiment of the invention, the cross-sections of the half-cells along the flow direction of the electrochemically active medium are varied in order to counteract a pressure drop along the respective flow path.

Da sich der Druck entlang des Strömungsweges reduziert, kann durch eine Vergrößerung des Querschnittes in Strömungsrichtung einer Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit entgegengewirkt werden.Since the pressure along the flow path is reduced, increasing the cross-section in the flow direction can counteract a slowing down of the flow velocity.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zuflussöffnungen und die Abflussöffnungen an den Enden einer jeweiligen Halbzelle in Bezug auf eine sich darin erstreckende Elektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode angeordnet.According to a further embodiment of the invention, the inflow openings and the outflow openings at the ends of a respective half cell are arranged on opposite sides of the electrode with respect to an electrode extending therein.

Auf diese Weise wird eine intensive Wechselwirkung des durch die Halbzelle strömenden elektrochemisch aktiven Mediums mit der Elektrode gewährleistet.In this way, an intensive interaction of the flowing through the half-cell electrochemically active medium is ensured with the electrode.

Bei einer alternativen Ausführung der Erfindung sind die Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen auf derselben Seite der Membran an gegenüberliegenden Stirnseiten der jeweiligen Halbzelle angeordnet.In an alternative embodiment of the invention, the inflow openings and outflow openings are arranged on the same side of the membrane on opposite end faces of the respective half-cell.

Es hat sich gezeigt, dass auch auf diese Weise eine besonders intensive Durchströmung der Elektrode mit dem elektrochemisch aktiven Medium erreicht werden kann.It has been found that in this way too, a particularly intensive flow through the electrode with the electrochemically active medium can be achieved.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die monolithischen Elektroden als poröse Elektroden ausgebildet, die im Bereich der Durchführung durch die Zellwand jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leitfähigen Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand verbunden ist. According to a further embodiment of the invention, the monolithic electrodes are formed as porous electrodes which are compressed in the region of the passage through the cell wall each with a plastic to a fluid-tight, electrically conductive solid, which is fluid-tightly connected to the cell wall.

Hierbei ist die Zellwand vorzugsweise als Kunststoffteil ausgebildet, das im Bereich der Durchführung jeweils stoffschlüssig und vorzugsweise formschlüssig mit der Elektrode verbunden ist.In this case, the cell wall is preferably designed as a plastic part, which is in the region of the passage in each case materially connected and preferably positively connected to the electrode.

Weiter bevorzugt sind ferner die Zellwand und die jeweilige Elektrode im Bereich der Durchführung als integrales Teil, vorzugsweise als integrales Spritzgussteil, ausgebildet.Further preferably, the cell wall and the respective electrode are formed in the region of the passage as an integral part, preferably as an integral injection-molded part.

Durch eine derartige Ausgestaltung der Elektroden im Bereich der Durchführung ist einerseits eine besonders einfache und zuverlässige fluiddichte Durchführung der Elektrode durch die Zellwand gewährleistet und andererseits eine besonders einfache Herstellung.Such a configuration of the electrodes in the region of the implementation on the one hand ensures a particularly simple and reliable fluid-tight passage of the electrode through the cell wall and, on the other hand, a particularly simple production.

Die Elektroden können vorteilhaft aus einem offenporigen Schaum, einem Filz, einem Vlies oder einem Gewebe bestehen.The electrodes can advantageously consist of an open-pore foam, a felt, a fleece or a fabric.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung bestehen die Elektroden aus einer Kohlenstoffmodifikation, insbesondere Graphit oder Kohlenstofffasern, einem Metall oder einer leitfähigen Keramik.According to a further embodiment of the invention, the electrodes consist of a carbon modification, in particular graphite or carbon fibers, a metal or a conductive ceramic.

Insbesondere Elektroden aus Graphit haben sich in Verbindung mit derartigen Zellverbunden als besonders wirksam erwiesen.In particular graphite electrodes have proven to be particularly effective in connection with such cell bonds.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden mit einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, oder mit einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere einem UV-aushärtbaren Kunststoff oder einem Zweikomponentenkleber, zumindest im Bereich der Durchführung verdichtet. Voraussetzung für den verwendeten Kunststoff ist die Beständigkeit im Elektrolyten, ohne dass schädliche Stoffe, wie etwa Weichmacher, ausgewaschen werden.According to a further embodiment of the invention, the electrodes are provided with a thermoplastic, in particular polypropylene or polyethylene, or with a thermosetting plastic, in particular a UV-curable plastic or a two-component adhesive, at least compressed in the region of the implementation. Prerequisite for the plastic used is the resistance in the electrolyte, without that harmful substances, such as plasticizers, are washed out.

Auf diese Weise ergibt sich eine besonders einfache Herstellung.In this way, a particularly simple production.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden im Wesentlichen parallel zu der Membran angeordnet.According to a further embodiment of the invention, the electrodes are arranged substantially parallel to the membrane.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden mattenförmig ausgebildet.In a further preferred embodiment of the invention, the electrodes are mat-shaped.

Auf diese Weise ergibt sich eine vorteilhafte Anordnung für die Elektroden und eine gute elektrochemische Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem durch die betreffenden Halbzellen strömenden elektrochemisch aktiven Medium.In this way, an advantageous arrangement for the electrodes and a good electrochemical interaction between the electrodes and the flowing through the respective half-cells electrochemically active medium results.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zellwände und die Elektroden im Bereich der Durchführungen durch die Zellwände in einem gemeinsamen Formgebungsschritt verbunden, vorzugsweise durch Spritzgießen.According to a further embodiment of the invention, the cell walls and the electrodes are connected in the region of the passages through the cell walls in a common shaping step, preferably by injection molding.

Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Herstellung gewährleistet.In this way, a simple and inexpensive production is guaranteed.

Gemäß einer weitere Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden der ersten und der letzten in Serie miteinander verschalteten Zellen als poröse Elektroden ausgebildet, die im Bereich der jeweiligen Durchführung durch die Zellwand jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leichtfähigen, Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand verbunden ist.According to a further embodiment of the invention, the electrodes of the first and the last connected in series with each other cells are formed as porous electrodes, which are compacted in the region of the respective passage through the cell wall each with a plastic to a fluid-tight, electrically conductive, solid, the fluid-tight connected to the cell wall.

Auf diese Weise ist auch die Kontaktierung der Elektroden außerhalb der Zellen auf einfache und zuverlässige Weise realisierbar.In this way, the contacting of the electrodes outside the cells in a simple and reliable manner can be realized.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden außerhalb der Zellwände mit einer Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Kupfer oder Silber, versehen, vorzugsweise mit einer galvanisch applizierten Beschichtung oder mit einer aufgespritzten Beschichtung versehen.According to a further embodiment of the invention, the electrodes are provided outside the cell walls with a coating of an electrically conductive material, preferably of copper or silver, preferably provided with a galvanically applied coating or with a sprayed coating.

Auf diese Weise ergibt sich eine einfache und wirksame Kontaktierung der Elektroden außerhalb der Zellen.In this way results in a simple and effective contacting of the electrodes outside the cells.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung sind die Elektroden mit Kontaktschichten versehen, die vorzugsweise über Ausnehmungen in den Kontaktschichten stoffschlüssig mit den porösen Elektroden verbunden und damit verpresst sind und durch die Zellwände nach außen geführt sind.According to an alternative embodiment of the invention, the electrodes are provided with contact layers, which are preferably connected via recesses in the contact layers cohesively with the porous electrodes and thus pressed and are guided by the cell walls to the outside.

Auch auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache und wirksame Kontaktierung der Elektroden außerhalb der Zellen gewährleisten.In this way too, a particularly simple and effective contacting of the electrodes outside the cells can be ensured.

Eine Redox-Flussbatterie lässt sich in einfacher Weise unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundes aufbauen. Hierbei sind ein Speicher für einen Katolyten und ein Speicher für einen Anolyten vorgesehen, die jeweils über eine Pumpe und zugeordnete Leitungen mit den katodischen Halbzellen und den anodischen Halbzellen in Verbindung stehen, um diese zu durchströmen. Extern wird der Stromkreis über einen Verbraucher bzw. eine Spannungsquelle geschlossen, wobei die Verbindung über zugeordnete Elektrodenanschlüsse an der ersten und letzten Zelle des Verbundes erfolgt. Alle kathodischen Halbzellen und alle anodischen Halbzellen sind hierbei vorzugsweise strömungsmäßig parallel geschaltet und sind über entsprechende Verteiler mit den Speichern für den Katolyt bzw. den Anolyt gekoppelt.A redox flux battery can be constructed in a simple manner using the composite according to the invention. Here, a storage for a catholyte and an accumulator for anolyte are provided, which are in each case via a pump and associated lines with the cathodic half-cells and the anodic half-cells in communication to flow through them. Externally, the circuit is closed via a load or a voltage source, wherein the connection via associated electrode connections takes place at the first and last cell of the network. All cathodic half-cells and all anodic half-cells are in this case preferably connected in parallel in terms of flow and are coupled via corresponding distributors with the accumulators for the catholyte or the anolyte.

Ein erfindungsgemäßer Verbund aus elektrochemischen Zellen lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem zunächst ein erster Halbverbund und ein zweiter Halbverbund jeweils mit einer Folge von Halbzellen durch ein Formgebungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, aus Kunststoff hergestellt werden und dann unter Zwischenlage einer Membran miteinander verbunden werden, vorzugsweise stoffschlüssig, etwa durch Verspritzen oder Verkleben, oder formschlüssig, etwa durch Vernieten oder Verschrauben. A composite of electrochemical cells according to the invention can be produced in a simple manner by first producing a first half-composite and a second half-composite each having a sequence of half-cells by a shaping process, such as injection molding, from plastic and then bonding them together with the interposition of a membrane, preferably cohesively, for example by spraying or gluing, or positively, for example by riveting or screwing.

Auf diese Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Zellverbundes gewährleistet.In this way, a particularly simple and cost-effective production of the cell composite is ensured.

In bevorzugter Weiterbildung dieses Verfahrens werden die Elektroden aus einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt, das in die zugehörige Form eingelegt wird, und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch einen subtraktiven Bearbeitungsschritt, wie etwa Stanzen, Schneiden, Laserablation, Funkenerosion, entfernt wird.In a preferred development of this method, the electrodes are produced from a continuous electrode material which is inserted into the associated form and, in the regions in which electrical insulation between adjacent half-cells is desired, by a subtractive processing step, such as stamping, cutting, laser ablation , Spark erosion, is removed.

Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Einbindung der Elektroden an den Stellen, an denen monolithische Elektroden benachbarte Halbzellen miteinander verbinden sollen, und eine Trennung der Elektroden an den Stellen ermöglicht, an denen benachbarte Halbzellen elektrisch gegeneinander isoliert sein sollen.In this way, a simple and cost-effective integration of the electrodes at the locations where monolithic electrodes are intended to connect adjacent half-cells to one another, and a separation of the electrodes at the locations, where adjacent half-cells are to be electrically isolated from each other.

In alternativer Weise werden die Elektroden aus einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt, das in die zugehörige Form eingelegt wird und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch eine bestimmte Formgebung der verwendeten Spritzgießform und eine entsprechende lokale Steuerung des Spritzdruckes lokal getrennt wird und durch eingespritzten Kunststoff isoliert wird.Alternatively, the electrodes are made of a continuous electrode material which is inserted into the associated mold and in the areas in which an electrical insulation between adjacent half-cells is desired, by a specific shape of the injection mold used and a corresponding local control of the injection pressure locally is separated and isolated by injected plastic.

Auf diese Weise lässt sich gezielt eine Unterbrechung der Elektroden in den gewünschten Bereichen gewährleisten und gleichzeitig eine Isolierung an diesen Stellen.In this way, a targeted interruption of the electrodes in the desired areas and at the same time provide insulation at these locations.

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.It is understood that the features of the invention mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 einen Querschnitt durch eine Zelle mit einer porösen Elektrode, die im Bereich einer Durchführung durch die Zellwand mittels Kunststoff verdichtet und abgedichtet ist; 1 a cross section through a cell with a porous electrode which is compacted and sealed in the region of a passage through the cell wall by means of plastic;

2 eine vereinfachte schematische Darstellung durch einen erfindungsgemäßen Verbund von elektrochemischen Zellen, die seriell miteinander verschaltet sind; 2 a simplified schematic representation of a composite of electrochemical cells according to the invention, which are connected in series with each other;

3 einen Längsschnitt durch eine der Halbzellen gemäß 2, woraus die Anordnung an Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen zum Durchströmen der Halbzelle mit elektrochemisch aktivem Medium ersichtlich ist; 3 a longitudinal section through one of the half-cells according to 2 , from which the arrangement of inflow openings and outflow openings for the passage through the half-cell with electrochemically active medium can be seen;

4 einen Querschnitt durch eine der Halbzellen gemäß 2 in vergrößerter Darstellung; 4 a cross section through one of the half-cells according to 2 in an enlarged view;

5 eine Aufsicht auf die Elektrode gemäß 3, bevor der obere Teil der Zellwand aufgespritzt wird; 5 a plan view of the electrode according to 3 before the upper part of the cell wall is sprayed on;

6 eine alternative Ausführung des Verbundes gemäß 2; 6 an alternative embodiment of the composite according to 2 ;

7 einen Längsschnitt durch eine der Halbzellen gemäß 6, woraus die Anordnung an Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen zum Durchströmen der Halbzelle mit elektrochemisch aktivem Medium ersichtlich ist und 7 a longitudinal section through one of the half-cells according to 6 , from which the arrangement of inflow openings and outflow openings for flowing through the half-cell can be seen with electrochemically active medium, and

8 eine schematische Darstellung einer Redox-Flusszelle unter Verwendung eines Verbundes von Zellen gemäß 2. 8th a schematic representation of a redox flow cell using a composite of cells according to 2 ,

1 zeigt eine elektrochemische Zelle, die insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet ist. Die Zelle 10 weist eine Zellwand 12 aus einem thermoplastischen Kunststoff, etwa Polypropylen, auf, die einen Hohlraum 14 umschließt. Der Hohlraum 14 ist mit einem elektrochemisch aktiven Medium 16 gefüllt. Innerhalb des Hohlraums 14 befindet sich eine Elektrode 18, die mit dem Medium innerhalb des Hohlraums 14 in Wechselwirkung steht. Die Elektrode 18 ist hierbei durch die Zellwand 12 nach außen im Bereich einer Durchführung 17 hindurchgeführt und hierbei fluiddicht mit der Zellwand 12 versiegelt. Die Elektrode 18 besteht beispielsweise aus einem Graphitfilz, der eine hohe aktive Oberfläche aufweist, um eine gute Wechselwirkung mit dem Medium 16 innerhalb des Hohlraums 14 zu ermöglichen. 1 shows an electrochemical cell total with the numeral 10 is designated. The cell 10 has a cell wall 12 made of a thermoplastic, such as polypropylene, on, which has a cavity 14 encloses. The cavity 14 is with an electrochemically active medium 16 filled. Inside the cavity 14 there is an electrode 18 that communicate with the medium within the cavity 14 interacts. The electrode 18 is here by the cell wall 12 to the outside in the area of a passage 17 passed through and in this case fluid-tight with the cell wall 12 sealed. The electrode 18 For example, it consists of a graphite felt having a high active surface in order to interact well with the medium 16 inside the cavity 14 to enable.

Außerhalb der Zellwand 12 ist die Elektrode 18 zwecks einer guten Kontaktierung mit einer Beschichtung 19 aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, wie etwa Kupfer oder Silber, versehen.Outside the cell wall 12 is the electrode 18 for a good contact with a coating 19 made of a highly electrically conductive material, such as copper or silver.

In 2 ist ein erfindungsgemäßer Verbund von elektrochemischen Zellen, die seriell miteinander verschaltet sind, schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 20 bezeichnet.In 2 is an inventive composite of electrochemical cells, which are connected in series with each other, shown schematically and in total with the numeral 20 designated.

Der Verbund 20 weist eine Folge von nebeneinander angeordneten Zellen 26, 26a, 26b auf, die jeweils aus zwei Halbzellen bestehen, die beidseits einer Membran 22 angeordnet sind. Die Membran 22 erstreckt sich in einer Ebene. Die Zellen 26, 26a, 26b sind nun nebeneinander entlang der Membran 22 derart angeordnet, dass auf der ersten Seite der Membran 22 (obere Seite) eine kathodische Halbzelle 27, gefolgt von einer anodischen Halbzelle 27a der Nachbarzelle 26a, wiederum gefolgt von einer anodischen Halbzelle 27b der Nachbarzelle 26b, angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden zweiten Seite (untere Seite) der Membran 22 sind nacheinander die jeweils zugeordneten Halbzellen in Form einer kathodischen Halbzelle 28 der ersten Zelle 26, gefolgt von einer anodischen Halbzelle 28a der zweiten Zelle 26a, wiederum gefolgt von einer kathodischen Halbzelle 28b der benachbarten Zelle 26b angeordnet.The composite 20 has a sequence of juxtaposed cells 26 . 26a . 26b on, each consisting of two half-cells, the both sides of a membrane 22 are arranged. The membrane 22 extends in one plane. The cells 26 . 26a . 26b are now side by side along the membrane 22 arranged such that on the first side of the membrane 22 (upper side) a cathodic half-cell 27 followed by an anodic half-cell 27a the neighboring cell 26a followed again by an anodic half-cell 27b the neighboring cell 26b , are arranged. On the opposite second side (lower side) of the membrane 22 are successively the respective associated half-cells in the form of a cathodic half-cell 28 the first cell 26 followed by an anodic half-cell 28a the second cell 26a followed again by a cathodic half-cell 28b the neighboring cell 26b arranged.

Es versteht sich, dass sich weitere Zellen anschließen können, wie in 2 angedeutet ist.It is understood that other cells can join, as in 2 is indicated.

In den jeweiligen Halbzellen erstrecken sich Elektroden 18, 18a, 18b, 18c parallel zur Membran 22, wobei diese mattenförmig als poröse Elektroden, etwa aus Graphitfilz, ausgestaltet sind. In the respective half-cells, electrodes extend 18 . 18a . 18b . 18c parallel to the membrane 22 , which are mat-shaped as porous electrodes, such as graphite felt, designed.

Die Anordnung der Zellen 26, 26a, 26b des Verbundes 20 ist nun so getroffen, dass die Polarität der Zellen 26, 26a, 26b alternierend ist. Dabei ergibt sich ein mäanderförmiger Stromfluss durch die Zellen 26, 26a, 26b, wie durch die Pfeile 29, 30, 31, 32 angedeutet ist. Ausgehend von der Elektrode 18 der anodischen Halbzelle 27 der ersten Zelle 26 fließt der Strom also durch die Membran 22 in die zugeordnete kathodische Halbzelle 28 der ersten Zelle 26. Diese kathodische Halbzelle 28 ist nunmehr mit der benachbarten anodischen Halbzelle 28a der nachfolgenden Zelle 26a über eine monolithische Elektrode 18a seriell verschaltet, wobei sich diese durch eine Durchführung 17 in der Zellwand 12 zwischen den beiden Halbzellen 28, 28a erstreckt. The arrangement of the cells 26 . 26a . 26b of the network 20 is now taken so that the polarity of the cells 26 . 26a . 26b is alternating. This results in a meandering flow of current through the cells 26 . 26a . 26b as by the arrows 29 . 30 . 31 . 32 is indicated. Starting from the electrode 18 the anodic half cell 27 the first cell 26 the current flows through the membrane 22 into the associated cathodic half-cell 28 the first cell 26 , This cathodic half cell 28 is now with the adjacent anodic half cell 28a the subsequent cell 26a via a monolithic electrode 18a connected in series, whereby this through a passage 17 in the cell wall 12 between the two half cells 28 . 28a extends.

Diese etwa aus porösem Graphitfilz bestehende Elektrode 18a ist, wie vorstehend anhand von 1 beschrieben, mit Kunststoff im Bereich der Durchführung 17 vergossen, so dass sich eine einstückige Ausbildung mit der Zellwand 12 zwischen den beiden Halbzellen 28, 28a ergibt. Dagegen sind die angrenzenden Halbzellen 27, 27a auf der gegenüberliegenden ersten Membranseite durch die Zellwand 12 elektrisch gegeneinander isoliert. Es ergibt sich somit ein Stromfluss ausgehend von der Elektrode 18 der kathodischen Halbzelle 27 der ersten Zelle 26 durch die Membran 22 in die kathodische Halbzelle 28 der ersten Zelle 26, dann über die Elektrode 18a in die benachbarte anodische Halbzelle 28a der nachfolgenden Zelle 26a, von dieser wiederum durch die Membran 22 in die kathodische Halbzelle 27a der zweiten Zelle 26a, dann wiederum über eine monolithische Elektrode 18b in die benachbarte anodische Halbzelle 27b der nächsten Zelle 26b, von dieser durch die Membran 22 in die zugeordnete kathodische Halbzelle 28b der letzten Zelle 26b.This approximately consisting of porous graphite felt electrode 18a is as above based on 1 described, with plastic in the field of implementation 17 potted, so that a one-piece training with the cell wall 12 between the two half cells 28 . 28a results. In contrast, the adjacent half cells 27 . 27a on the opposite first side of the membrane through the cell wall 12 electrically isolated from each other. This results in a current flow starting from the electrode 18 the cathodic half cell 27 the first cell 26 through the membrane 22 into the cathodic half cell 28 the first cell 26 , then over the electrode 18a into the adjacent anodic half-cell 28a the subsequent cell 26a , from this again through the membrane 22 into the cathodic half cell 27a the second cell 26a , then turn over a monolithic electrode 18b into the adjacent anodic half-cell 27b the next cell 26b , from this through the membrane 22 into the associated cathodic half-cell 28b the last cell 26b ,

An der ersten Zelle 26 und an der letzten Zelle 26b sind die jeweiligen Elektroden 18 bzw. 18c durch die Zellwand 12 nach außen hindurchgeführt, wie zuvor beispielhaft anhand von 1 erläutert wurde.At the first cell 26 and at the last cell 26b are the respective electrodes 18 respectively. 18c through the cell wall 12 passed to the outside, as previously exemplified by 1 was explained.

Die einzelnen Halbzellen werden senkrecht zur Zeichenebene von elektrochemisch aktivem Medium durchströmt, wie beispielhaft bei der ersten anodischen Halbzelle 27 durch gestrichelte Zuflussöffnungen 21 und gestrichelte Abflussöffnungen 33 dargestellt ist (vergleiche auch den Querschnitt durch diese Halbzelle 27 gemäß 3).The individual half-cells are traversed perpendicular to the plane of electrochemically active medium, such as in the first anodic half cell 27 through dashed inflow openings 21 and dashed drainage holes 33 is shown (compare also the cross section through this half cell 27 according to 3 ).

Dabei ist die Anordnung der Zuflussöffnungen 21 und der Abflussöffnungen 33 vorzugsweise so getroffen, dass sich die Zuflussöffnungen 21 auf einer Seite der mattenförmig ausgebildeten Elektrode 18 befinden und die Abflussöffnungen 33 auf der gegenüberliegenden zweiten Seite der Elektrode 18. Dies führt dazu, dass die Elektrode 18 intensiv von dem elektrisch geladenen Elektrolyten durchströmt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad der Zelle verbessert.In this case, the arrangement of the inflow openings 21 and the drainage holes 33 preferably so made that the inflow openings 21 on one side of the mat-shaped electrode 18 located and the drainage holes 33 on the opposite second side of the electrode 18 , This causes the electrode 18 is intensively flowed through by the electrically charged electrolyte, whereby the efficiency of the cell improves.

Eine Herstellung des Verbundes 20 kann auf einfache und kostengünstige Weise dadurch erfolgen, dass zunächst eine erste Hälfte 23 des Verbundes 20 durch ein geeignetes Formgebungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, hergestellt wird und in entsprechender Weise eine zweite Hälfte 24 des Verbundes in der gleichen Weise hergestellt wird. Die beiden Hälften 23, 24 werden anschließend unter Zwischenlage der durchgehenden Membran 22 aneinandergefügt. Die beiden Halbverbunde 23, 24 können miteinander verklebt oder verschweißt oder in sonstiger Weise dichtend miteinander verbunden werden, etwa durch Vernieten oder Verschrauben. In 2 ist ein umlaufender Klebewulst 25 beispielhaft gezeigt, mit dem die beiden Halbverbunde 23, 24 umlaufend verklebt sind.A production of the composite 20 can be done in a simple and cost-effective way, that first a first half 23 of the network 20 by a suitable molding process, such as injection molding, and similarly a second half 24 of the composite is produced in the same way. The two halves 23 . 24 are then with the interposition of the continuous membrane 22 joined. The two half-composites 23 . 24 can be glued or welded together or otherwise sealingly connected to each other, such as by riveting or screwing. In 2 is a circumferential adhesive bead 25 shown by way of example, with the two Halbverbunde 23 . 24 are glued circumferentially.

Bei der Herstellung der beiden Halbverbunde 23, 24 werden die Elektroden vorzugsweise zunächst als durchgehende Matte über den gesamten Bereich der Zellen in den zugeordneten Formhohlraum einer Spritzgießform eingelegt und an den Stellen, an denen keine durchgehende Verbindung, sondern eine Isolation benachbarter Halbzellen gewünscht ist, durch ein subtraktives Verfahren getrennt, also etwa durch Stanzen, Schneiden, Laserablation, Funkenerosion.In the production of the two half-composites 23 . 24 The electrodes are preferably first inserted as a continuous mat over the entire region of the cells in the associated mold cavity of an injection mold and separated at the points where no continuous connection, but an isolation of adjacent half-cells is desired, by a subtractive method, ie as by punching , Cutting, laser ablation, spark erosion.

Da es sich bei der Elektrodenmatte um ein faserartiges Material, wie etwa Graphitvlies, handelt, kann in alternativer Weise die Trennung an den jeweiligen Bereichen der Elektrodenmatte auch durch eine bestimmte Formgebung der verwendeten Spritzgießform und eine entsprechende lokale Steuerung des Spritzdruckes während des Spritzgießverfahrens erreicht werden, wobei in dem getrennten Bereich Kunststoff mit eingespritzt wird, um die gewünschte Isolierung an der jeweiligen Stelle zu erhalten.Since the electrode mat is a fibrous material, such as graphite nonwoven, alternatively, the separation at the respective areas of the electrode mat can also be achieved by a specific shape of the injection mold used and a corresponding local control of the injection pressure during the injection molding process, wherein in the separate area plastic is injected with in order to obtain the desired insulation at the respective location.

Eine derartige Ausgestaltung führt zu einer weiteren Vereinfachung bei der Herstellung.Such a configuration leads to a further simplification in the production.

Zusätzlich zu dem so erzeugten Stoffschluss kann ggf. ein Formschluss etwa durch geeignete Hinterschneidungen erzeugt werden, um bei erhöhter Strömungsbelastung einer Desintegration entgegen zu wirken.In addition to the material bond produced in this way, it is possible, if necessary, to produce a form-fitting connection, for example by means of suitable undercuts, in order to counteract disintegration in the event of increased flow stress.

Anhand der 4 und 5 wird nachfolgend kurz erläutert, wie eine Kontaktierung der Elektrode 18 im Bereich außerhalb der Zellwand 12 erfolgen kann.Based on 4 and 5 will be briefly explained below, as a contacting of the electrode 18 in the area outside the cell wall 12 can be done.

Während gemäß 1 eine Kontaktierung durch eine galvanische Beschichtung oder eine durch ein Spritzverfahren (zum Beispiel thermisches Spritzen) aufgetragene Beschichtung erläutert wurde, wird bei der Ausführung gemäß 4 und 5 ein plattenartiges Material aus einem gut elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie zum Beispiel Kupfer oder Silber, beidseitig auf die Enden der Elektrode 18 im Bereich der Zellwand 12 aufgebracht und bei der Herstellung durch Spritzgießen im Bereich der Zellwand 12 stoffschlüssig mit eingebunden. Hierzu weist jede der Kontaktschichten oder Anschlusszungen 34, 35 ein Raster von Ausnehmungen 36 auf, was eine verbesserte stoffschlüssige Einbindung in die Zellwand 12 beim Spritzguss gewährleistet.While according to 1 a contacting by a galvanic coating or by a spraying method (for example thermal spraying) applied coating has been explained in the embodiment according to 4 and 5 a plate-like material made of a good electrically conductive material, such as copper or Silver, on both sides on the ends of the electrode 18 in the area of the cell wall 12 applied and in the production by injection molding in the cell wall 12 cohesive with integrated. For this purpose, each of the contact layers or terminal tongues 34 . 35 a grid of recesses 36 what an improved cohesive integration into the cell wall 12 guaranteed during injection molding.

Wie vorstehend bereits erläutert, wird die Elektrode 18 im Bereich der Durchführung 17 durch die Zellwand 12 mit dem Kunststoff zusammen mit der übrigen Zellwand 12 verdichtet und umspritzt. Es ergibt sich so eine intensive Haftung und fluiddichte Ausführung bei der Durchführung der Elektrode 18.As already explained above, the electrode becomes 18 in the field of implementation 17 through the cell wall 12 with the plastic together with the rest of the cell wall 12 compacted and overmolded. This results in an intense adhesion and fluid-tight design in the implementation of the electrode 18 ,

Anhand von 7 und 8 wird eine alternative Ausführung des Verbundes, der insgesamt mit 20a bezeichnet ist, kurz erläutert. Es werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.Based on 7 and 8th is an alternative embodiment of the composite, the total with 20a is designated, briefly explained. Corresponding reference numerals are used for corresponding parts.

Der einzige Unterschied zum Verbund gemä0 2 und 3 besteht darin, dass die Anordnung der Zuflussöffnungen 39 und der Abflussöffnungen 33 abgewandelt ist. Aus dem Schnitt gemäß 7 ist ersichtlich, dass die Zuflussöffnungen 39 in eine senkrecht zur Elektrode 18 verlaufenden Kanal 38 münden. Ausgehend von diesem Kanal 38 wird die Elektrode 18 durchströmt. Auf der gegenüberliegenden Seite gelangt die Flüssigkeit über einen Abflusskanal 37 in Abflussöffnungen. Die einzelnen Halbzellen werden parallel mit Elektrolytflüssigkeit versorgt.The only difference to the Verbund gemä0 2 and 3 is that the arrangement of the inflow openings 39 and the drainage holes 33 modified. From the section according to 7 it can be seen that the inflow openings 39 in a direction perpendicular to the electrode 18 running channel 38 lead. Starting from this channel 38 becomes the electrode 18 flows through. On the opposite side, the liquid passes through a drainage channel 37 in drain holes. The individual half-cells are supplied in parallel with electrolyte fluid.

In 8 ist beispielhaft die Verwendung des Verbundes 20 in einer Redox-Flussbatterie 40 dargestellt. In 8th is an example of the use of the composite 20 in a redox flow battery 40 shown.

Redox-Flussbatterien basieren auf dem Prinzip, dass 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 Elektroden verrichten über einen externen Stromkreis Arbeit (Entladebetrieb) oder werden über den externen Stromkreis geladen (Ladebetrieb). Geschlossen wird der Stromkreis durch eine ionenleitfähige Trennschicht oder Membran, welche für den Ladungsausgleich zwischen den beiden Halbzellen sorgt.Redox flux batteries are based on the principle that two electrolytes flow through the half cells of an electrochemical cell, changing their oxidation state on the surface of the electrodes. The electrodes delivered or received during the half-cell reactions perform work (discharge operation) via an external circuit or are charged via the external circuit (charging operation). The circuit is closed by an ion-conductive separating layer or membrane, which ensures the charge balance between the two half-cells.

In 8 ist eine Redox-Flussbatterie 40 mit dem Verbund 20 vereinfacht dargestellt.In 8th is a redox flux battery 40 with the composite 20 shown in simplified form.

Für den Katolyt (positiv geladener Elektrolyt) und den Anolyt (negativ geladener Elektrolyt) sind getrennte Speicher 42, 44 vorgesehen. Die kathodischen Halbzellen 28, 28b werden vom Katolyt ausgehend aus dem Speicher 42 mittels einer Pumpe 46 über zugeordnete Zuflussleitungen 48 durchströmt und über zugeordnete Abflussleitungen 50 wieder in den Speicher 42 zurückgeführt. In entsprechender Weise wird der Anolyt aus dem Speicher 44 mittels einer Pumpe 52 über Zuflussleitungen 54 in die anodischen Halbzellen 28a zugeführt und über Abflussleitungen 56 wieder abgeführt und zurück in den Behälter 44 geleitet. Alle kathodischen Halbzellen und alle anodischen Halbzellen sind vorzugsweise strömungsmäßig parallel geschaltet und sind über entsprechende Verteiler mit den Speichern 42 bzw. 44 für den Katolyt bzw. den Anolyt gekoppelt.For the catholyte (positively charged electrolyte) and the anolyte (negatively charged electrolyte) are separate memory 42 . 44 intended. The cathodic half cells 28 . 28b become from the Katolyt starting from the memory 42 by means of a pump 46 via assigned inflow pipes 48 flows through and over associated drain lines 50 back to the store 42 recycled. Similarly, the anolyte is removed from the reservoir 44 by means of a pump 52 via inflow pipes 54 into the anodic half cells 28a fed and via drain lines 56 discharged again and back into the container 44 directed. All cathodic half-cells and all anodic half-cells are preferably connected in parallel in terms of flow and are via corresponding distributor with the memories 42 respectively. 44 coupled for the catholyte or the anolyte.

Aus Vereinfachungsgründen sind in 8 lediglich die Halbzellen auf einer Seite der Membran dargestellt. Die gegenüberliegenden Halbzellen auf der anderen Membranseite sind in entsprechender Weise von dem Katolyten bzw. dem Anolyten durchströmt.For reasons of simplification are in 8th only the half-cells are shown on one side of the membrane. The opposite half-cells on the other side of the membrane are flowed through in a corresponding manner by the catholyte or the anolyte.

Der Stromkreis wird extern über Elektrodenanschlüsse 62, 64 an der ersten Zelle 26 bzw. an der letzten Zelle 26b über einen externen Stromkreis 58 mit einem Verbraucher 60 geschlossen, sofern die Redox-Flussbatterie entladen wird bzw. wird über eine externe Stromquelle 60 geschlossen, sofern die Redox-Flusszelle geladen werden soll. In der Praxis wird zur Steuerung etwa ein Laderegler verwendet, der zwischen dem Verbraucher 60 bzw. der Stromquelle eingeschaltet ist.The circuit is externally via electrode connections 62 . 64 at the first cell 26 or at the last cell 26b via an external circuit 58 with a consumer 60 closed, provided that the redox flow battery is discharged or is via an external power source 60 closed if the redox flow cell is to be charged. In practice, a charge controller is used to control such as between the consumer 60 or the power source is turned on.

Es versteht sich, dass in der Regel weitere Zellen seriell mit dem Verbund 20 verschaltet sind, so dass weitere Halbzellen vom Katolyten bzw. Anolyten durchströmt werden.It is understood that, as a rule, more cells are connected serially with the composite 20 are interconnected, so that more half-cells are flowed through by the catholyte or anolyte.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2010/094657 A1 [0002] WO 2010/094657 A1 [0002]
  • EP 2648257 A1 [0002, 0002] EP 2648257 A1 [0002, 0002]
  • WO 2011/075135 A1 [0002, 0004] WO 2011/075135 A1 [0002, 0004]

Claims (22)

Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, mit seriell verschalteten Zellen, die jeweils eine anodische Halbzelle (27, 27b) und eine angrenzende kathodische Halbzelle (28, 28b) aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran (22) miteinander verbunden sind, und mit Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand umschlossen sind und mit elektrochemisch aktiven Medien gefüllt sind, und wobei ausgewählte benachbarte Halbzellen (28, 28a; 27a, 27b) durch monolithische Elektroden (18a, 18b) seriell miteinander verschaltet sind.Composite of electrochemical cells, in particular for a redox flow battery, with series-connected cells, each having an anodic half-cell ( 27 . 27b ) and an adjacent cathodic half cell ( 28 . 28b ) through an ion-conducting membrane ( 22 ) and electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) extending in the half cells, the half cells each being enclosed by an electrically insulating cell wall and filled with electrochemically active media, and selected adjacent half cells ( 28 . 28a ; 27a . 27b ) by monolithic electrodes ( 18a . 18b ) are connected in series with each other. Verbund nach Anspruch 1, bei dem sich die Membran (22) in einer Ebene erstreckt, wobei auf einer ersten Membranseite abwechselnd anodische und kathodische Halbzellen (27, 27a, 27b) aneinander angrenzend entlang der Membran (22) angeordnet sind, wobei auf einer zweiten Membranseite komplementär kathodische und anodische Halbzellen (28, 28a, 28b) aneinander angrenzend entlang der Membran (22) angeordnet sind, so dass entlang der Membran (22) eine Folge von aneinander angrenzenden Zellen (26, 26a, 26b) alternierender Orientierung gebildet ist, wobei abwechselnd jeweils angrenzende Halbzellen (27, 28a) auf einer Membranseite gegeneinander isoliert sind und die zugeordneten Halbzellen (28, 28a) auf der anderen Membranseite über eine monolithische Elektrode (18a) miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sich ein mäanderartiger Strompfad durch die Zellen ergibt.Composite according to claim 1, in which the membrane ( 22 ) extends in a plane, wherein on a first membrane side alternately anodic and cathodic half-cells ( 27 . 27a . 27b ) adjacent to each other along the membrane ( 22 ) are arranged, wherein on a second membrane side complementary cathodic and anodic half-cells ( 28 . 28a . 28b ) adjacent to each other along the membrane ( 22 ) are arranged so that along the membrane ( 22 ) a series of contiguous cells ( 26 . 26a . 26b ) alternating orientation, wherein alternately adjacent half-cells ( 27 . 28a ) are isolated from each other on a membrane side and the associated half-cells ( 28 . 28a ) on the other side of the membrane via a monolithic electrode ( 18a ) are electrically connected to each other, so that a meandering current path results through the cells. Verbund nach Anspruch 2, bei dem die Halbzellen (27, 27a, 27b, 28, 28a, 28b) jeweils Zuflussöffnungen (21) und Abflussöffnungen (33) zur Durchströmung mit elektrochemisch aktivem Medium aufweisen.Composite according to claim 2, in which the half-cells ( 27 . 27a . 27b . 28 . 28a . 28b ) each inflow openings ( 21 ) and drainage holes ( 33 ) to flow through with electrochemically active medium. Verbund nach Anspruch 3, bei dem die Zuflussöffnungen (21) und die Abflussöffnungen (33) an den Enden einer jeweiligen Halbzelle (27) in Bezug auf eine sich darin erstreckende Elektrode (18) auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode (18) angeordnet sind. Composite according to Claim 3, in which the inflow openings ( 21 ) and the drainage holes ( 33 ) at the ends of a respective half cell ( 27 ) with respect to an electrode extending therein ( 18 ) on opposite sides of the electrode ( 18 ) are arranged. Verbund nach Anspruch 3, bei dem die Zuflussöffnungen (39) und Abflussöffnungen (33) auf derselben Seite der Membran (22) an gegenüberliegenden Stirnseiten der jeweiligen Halbzelle (27) liegen.Composite according to Claim 3, in which the inflow openings ( 39 ) and drainage holes ( 33 ) on the same side of the membrane ( 22 ) on opposite end faces of the respective half-cell ( 27 ) lie. Verbund nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Querschnitte der Halbzellen (27, 27a, 27b, 28, 28a, 28b) entlang der Strömungsrichtung des elektrochemisch aktiven Mediums variiert sind, um einem Druckabfall entlang des jeweiligen Strömungsweges entgegenzuwirken.Composite according to Claim 3, 4 or 5, in which the cross-sections of the half-cells ( 27 . 27a . 27b . 28 . 28a . 28b ) are varied along the flow direction of the electrochemically active medium to counteract a pressure drop along the respective flow path. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die monolithischen Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) als poröse Elektroden ausgebildet sind, die im Bereich der Durchführung (17) durch die Zellwand (12) jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leitfähigen Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand (12) verbunden ist. Composite according to one of the preceding claims, in which the monolithic electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) are formed as porous electrodes in the region of the implementation ( 17 ) through the cell wall ( 12 ) are each compacted with a plastic to a fluid-tight, electrically conductive solid, the fluid-tight with the cell wall ( 12 ) connected is. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, bei der die Zellwand (12) als Kunststoffteil ausgebildet ist, das im Bereich der Durchführung (17) jeweils stoffschlüssig und vorzugsweise formschlüssig mit der Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) verbunden ist.An electrochemical cell according to claim 7, wherein the cell wall ( 12 ) is formed as a plastic part, which in the field of implementation ( 17 ) in each case cohesively and preferably positively with the electrode ( 18 . 18a . 18b . 18c ) connected is. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, bei der die Zellwand (12) und die jeweilige Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) im Bereich der Durchführung (17) als integrales Teil, vorzugsweise als integrales Spritzgussteil oder Extrusionsteil, ausgebildet sind.An electrochemical cell according to claim 8, wherein the cell wall ( 12 ) and the respective electrode ( 18 . 18a . 18b . 18c ) in the field of implementation ( 17 ) are formed as an integral part, preferably as an integral injection molded part or extrusion part. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus einem offenporigen Schaum, Filz, Vlies oder Gewebe bestehen.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) consist of an open-pored foam, felt, fleece or fabric. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus einer Kohlenstoffmodifikation, insbesondere Graphit oder Kohlenstofffasern, einem Metall oder einer leitfähigen Keramik bestehen.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) consist of a carbon modification, in particular graphite or carbon fibers, a metal or a conductive ceramic. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) mit einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, oder mit einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere einem UV-aushärtbaren Kunststoff oder einem Zweikomponentenkleber zumindest im Bereich der Durchführung (17) verdichtet sind.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) with a thermoplastic, in particular polypropylene or polyethylene, or with a thermosetting plastic, in particular a UV-curable plastic or a two-component adhesive, at least in the area of implementation ( 17 ) are compressed. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) im Wesentlichen parallel zu der Membran (22) angeordnet sind.Composite according to one of the preceding claims, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) substantially parallel to the membrane ( 22 ) are arranged. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) mattenförmig ausgebildet sind.Composite according to one of the preceding claims, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) are mat-shaped. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zellwände (12) und die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) im Bereich der Durchführungen (17) durch die Zellwände (12) in einem gemeinsamen Formgebungsschritt verbunden sind, vorzugsweise durch Spritzgießen oder Extrudieren.Composite according to one of the preceding claims, in which the cell walls ( 12 ) and the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) in the area of the bushings ( 17 ) through the cell walls ( 12 ) are connected in a common shaping step, preferably by injection molding or extrusion. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (18, 18c) der ersten und der letzten in Serie miteinander verschalteten Zellen (26, 26b) als poröse Elektroden ausgebildet sind, die im Bereich der jeweiligen Durchführung (17) durch die Zellwand (12) jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leitfähigen, Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand (12) verbunden ist. Composite according to one of the preceding claims, in which the electrodes ( 18 . 18c ) of the first and the last connected in series Cells ( 26 . 26b ) are formed as porous electrodes in the region of the respective implementation ( 17 ) through the cell wall ( 12 ) are each compacted with a plastic to a fluid-tight, electrically conductive, solid, the fluid-tight with the cell wall ( 12 ) connected is. Verbund nach Anspruch 16, bei dem die Elektroden (18, 18c) außerhalb der Zellwände (12) mit einer Beschichtung (19) aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Kupfer oder Silber, versehen sind, vorzugsweise mit einer galvanisch applizierten Beschichtung (19) oder mit einer aufgespritzten Beschichtung (19) versehen sind. Composite according to Claim 16, in which the electrodes ( 18 . 18c ) outside the cell walls ( 12 ) with a coating ( 19 ) of an electrically conductive material, preferably of copper or silver, are provided, preferably with a galvanically applied coating ( 19 ) or with a sprayed coating ( 19 ) are provided. Verbund nach Anspruch 16, bei dem die Elektroden (18, 18c) mit Kontaktschichten (34, 35) versehen sind, die vorzugsweise über Ausnehmungen (36) in den Kontaktschichten (34, 35) stoffschlüssig mit den porösen Elektroden (18, 18c) verbunden und damit verpresst sind und durch die Zellwände (12) nach außen geführt sind.Composite according to Claim 16, in which the electrodes ( 18 . 18c ) with contact layers ( 34 . 35 ), which preferably have recesses ( 36 ) in the contact layers ( 34 . 35 ) cohesively with the porous electrodes ( 18 . 18c ) and are thus pressed and by the cell walls ( 12 ) are led to the outside. Redox-Flussbatterie mit einem Verbund (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Speicher (42) für einen Katolyten, mit einem Speicher (44) für einen Anolyten, die jeweils über eine Pumpe (46, 52) und zugeordnete Leitungen (48, 50; 54, 56) mit den katodischen Halbzellen und den anodischen Halbzellen in Verbindung stehen, um diese zu durchströmen, und mit einem externen Stromkreis (58), der an den Verbund (20) über Elektrodenanschlüsse (62, 64) angeschlossen ist und einen Verbraucher (60) oder eine Spannungsquelle beinhaltet.Redox flux battery with a composite ( 20 ) according to one of the preceding claims, having a memory ( 42 ) for a catholyte, with a reservoir ( 44 ) for an anolyte, each via a pump ( 46 . 52 ) and associated lines ( 48 . 50 ; 54 . 56 ) are in communication with the cathodic half-cells and the anodic half-cells in order to flow through them, and with an external circuit ( 58 ), which is affiliated to the 20 ) via electrode connections ( 62 . 64 ) and a consumer ( 60 ) or a voltage source. Verfahren zur Herstellung eine Verbundes aus elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem zunächst ein erster Halbverbund (23) und ein zweiter Halbverbund (24) jeweils mit einer Folge von Halbzellen durch ein Formgebungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, aus Kunststoff hergestellt werden, und dann unter Zwischenlage einer Membran (22) miteinander verbunden werden, vorzugsweise stoffschlüssig, etwa durch Verspritzen oder Verkleben, oder formschlüssig, etwa durch Vernieten oder Verschrauben.Process for producing a composite of electrochemical cells according to one of Claims 1 to 18, in which initially a first semi-composite ( 23 ) and a second half-composite ( 24 ) each with a sequence of half-cells by a molding process, such as injection molding, are made of plastic, and then with the interposition of a membrane ( 22 ), preferably cohesively, for example by spraying or gluing, or positively, for example by riveting or screwing. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt werden, das in die zugehörige Form eingelegt wird und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch einen subtraktiven Bearbeitungsschritt, wie etwa Stanzen, Schneiden, Laserablation, Funkenerosion, entfernt wird.Method according to Claim 20, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) are made of a continuous electrode material which is inserted into the associated shape and in the areas in which electrical insulation between adjacent half-cells is desired, by a subtractive processing step, such as punching, cutting, laser ablation, spark erosion is removed. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt werden, das in die zugehörige Form eingelegt wird und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch eine bestimmte Formgebung der verwendeten Spritzgießform und eine entsprechende lokale Steuerung des Spritzdruckes lokal getrennt wird und durch eingespritzten Kunststoff isoliert wird.Method according to Claim 20, in which the electrodes ( 18 . 18a . 18b . 18c ) are made of a continuous electrode material, which is inserted into the associated shape and in the areas in which an electrical insulation between adjacent half-cells is desired, by a specific shape of the injection mold used and a corresponding local control of the injection pressure is separated locally and by injected plastic is isolated.
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