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Die Erfindung betrifft eine Elektrode für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien gemäß Anspruch 1 sowie eine Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweise mit einer solchen Elektrode gemäß Anspruch 9.
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Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Redox-Flow-Batterie ist aus der
DE 10 2012 017 306 A1 bekannt und wird nachfolgend anhand von
5 beschrieben. Bei einer Redox-Flow-Batterie ist die Energie in den Elektrolyten in Form von Metallen, Salzen oder anderen chemischen Verbindungen gespeichert, wobei diese Verbindungen in flüssiger, dispergierter oder gelöster Form vorliegen. Die Elektrolyte werden in externen Tanks
2,
3 gelagert. Zum Laden oder Entladen werden die Elektrolyte durch einen elektrochemischen Reaktor
4 gepumpt. In dem elektrochemischen Reaktor
4 wird durch Anlegen einer Spannung über einen Stromanschluss
6 an den jeweiligen Elektroden
8,
9 durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen beim Laden elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen wieder in elektrische Energie zurück umgewandelt. Der Reaktor
2 besteht aus zwei Halbzellen mit jeweils einer Elektrode
8,
9. Beide Halbzellen sind durch eine Membran
10 voneinander getrennt. Zur Leistungserhöhung einer Energiewandlereinheit können z. B. mehrere solche Einzelzellen zu sogenannten Stacks oder Zellstapeln zusammengefasst werden.
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Um den Elektrolyten entlang der Elektroden 8, 9 zu führen, werden üblicherweise sogenannte Bipolarplatten eingesetzt, die offenen Strömungskanäle für den Elektrolyten aufweisen. Durch die Kontaktierung dieser Bipolarplatten mit einem Flussrahmen und der jeweiligen Elektrode werden die geschlossenen Strömungskanäle für die Elektrolyten gebildet. Bei sogenannten Stacks oder Zellenstapeln weist die Bipolarplatte auf beiden Seiten offene Strömungskanäle auf, so dass eine Bipolarplatte für jeweils zwei Halbzellen die Strömungskanäle bereitstellt. Herkömmliche Elektroden werden daher planparallel entlang der Membran auf gesamter Breite der Elektrode vom Elektrolyten durchströmt. Bei technischen Zellgeometrien muss die Länge der Elektrode von oben nach unten in 4 im Bereich >30cm liegen, um wirtschaftliche Stack- und damit Leistungsdaten zu gewährleisten. Bei Durchströmungslängen >30cm und den technisch erforderlichen Elektrolytgeschwindigkeiten von ca. 0.7cm/s steigen die Druckverluste innerhalb der Batterie auf etwa 1bar an. Damit gehen Leistungsverluste des Stacks aufgrund der erforderlichen Pumpleistung (für Überwindung des Druckabfalls) einher. Aufgrund der langen Wege des Elektrolyten durch Elektrodenmaterial wird ein großer Teil der zur Verfügung stehenden Energieträger (Redox-Spezies) verbraucht und führt besonders gegen Ende des Elektrodenweges zu ineffizienter Performance. Die von dem Elektrolyten durchströmte Elektrodenlänge ist daher möglichst kurz zu halten um die gesamte Stackeffizienz zu erhöhen, dies widerspricht der Forderung nach hohen Elektrodenlängen.
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Anstelle der Strömungskanäle für die Elektrolyt-Flüssigkeit in den Bipolarplatten ist es auch möglich, in den Elektrodenschichten aus porösem Elektrodenmaterial Strömungskanäle für die Elektrolyt-Flüssigkeit vorzusehen. Aus der
WO 2017/087365 A1 ist es bekannt, in einer Schicht aus porösem Elektrodenmaterial Röhrchen als Einlass- bzw. Auslasskanäle vorzusehen, durch die die Elektrolytflüssigkeit in die Elektrode hinein- bzw. aus dieser herausfließt. An den übrigen Enden werden die Röhrchen verschlossen. Die Wände der Röhrchen sind hierbei vorzugsweise durchlöchert oder aus porösem Material, um Elektrolyt-Flüssigkeit hindurchtreten zu lassen. Nachteilig hierbei ist, dass ein Teil der Elektrolyt-Flüssigkeit in Richtung der Schichtdicke des Elektrodenmaterials aus den Röhrchen entweichen kann, was zu einer ungleichen Durchströmungslänge bzw. zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Elektrolyt-Flüssigkeit innerhalb des Elektrodenmaterials führen kann.
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Aus der
US4615955A ist eine Brennstoffzelle bekannt, die in einer porösen Elektrodenschicht abwechselnd Einlass- und Auslasskanäle für Sauerstoff aufweist, welcher dann z. B. mit Wasserstoff reagiert, wobei der entstehende Dampf abgeleitet wird. Ein Hindurchtreten von Sauerstoff bzw. Wasserstoff in Richtung der Schichtdicke ist hierbei vorgesehen, der Elektrolyt hingegen soll verlustarm in der porösen Elektrodenschicht verbleiben.
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Aus der
WO 94/11912 A ist es bekannt, in der Elektrodenschicht abwechselnd Einlass- und Auslasskanäle vorzusehen, wobei die Einlasskanäle an einem Ende der Elektrode und die Auslasskanäle am gegenüberliegenden Ende der Elektrode zu einem Einlass bzw. zu einem Auslass zusammengefasst werden. D. h. die Ein- und Auslasskanäle greifen wie die Finger von zwei Händen in einer Ebene ineinander. Nachteilig hierbei ist, dass die bekannte flächige Elektrode über ihre Fläche nicht gleichmäßig von der Elektrolyt-Flüssigkeit durchströmt wird. Über die Länge der Einlasskanäle kann Elektrolyt-Flüssigkeit über das poröse Elektrodenmaterial entweder in den linken oder den rechten benachbarten Auslasskanal strömen. An den toten Enden der Einlasskanäle kann die Elektrolyt-Flüssigkeit zusätzlich durch das poröse Elektrodenmaterial direkt in den Auslasssammelkanal fließen. Folglich wird das poröse Elektrodenmaterial nicht über die gesamte Fläche gleichmäßig durchströmt.
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Ausgehend von der
WO 94/11912 A ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte sowie eine damit ausgerüstete Redox-Flow-Batterie bereitzustellen, die eine gleichmäßige Durchströmung der Elektrodenschicht über die gesamte Fläche ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9.
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Dadurch, dass die Einlasskanäle an den zweiten Enden der Elektrodenstreifen und die Auslasskanäle an den ersten Enden der Elektrodenstreifen durch flüssigkeitsdichte Abschlüsse geschlossen sind, kann Elektrolyt-Flüssigkeit über die gesamte Länge der Einlasskanäle über eine gleichlange Wegstrecke durch das poröse Elektrodenmaterial nur in den linken oder rechten benachbarten Auslasskanal strömen. Durch den Abstand unmittelbar benachbarter Elektrodenstreifen sind die an den Längsseiten der Elektrodenstreifen angeordneten Ein- bzw. Auslasskanäle seitlich begrenzt, während sie in der Höhe bzw. Dicke durch die Membran und durch die Monopolarplatten oder Bipolarplatten begrenzt sind, d. h. die Ein- bzw. Auslasskanäle erstrecken sich über die gesamte Dicke der Elektrodenstreifen, sodass die Elektrolytflüssigkeit über eine gleichlange Wegstrecke durch das poröse Elektrodenmaterial strömt. Damit ist gewährleistet, dass das poröse Elektrodenmaterial über die gesamte Fläche der Elektrode gleichmäßig durchströmt wird. Im Vergleich zum Stand der Technik sind die Druckverluste bis zu einem Faktor 30 reduziert. Auch Diffusionsverluste sind aufgrund der verkürzten Durchströmungslänge des porösen Elektrodenmaterials verringert. Hierdurch ergibt sich eine Steigerung der Spannungseffizienz (mittlere Entladespannung/mittlere Ladespannung). Die Effizienzsteigerung aufgrund der kürzeren Durchströmungslänge und damit besserer Diffusion sowie geringere Pumpverluste übersteigen den Effekt des Materialverlusts bedingt durch den Platzbedarf der Kanäle in der Elektrode.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 oder 3 vereinfacht sich die Herstellung der flüssigkeitsdichten Abschlüsse.
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Durch die vorteilhafte Geometrie der Ein- und Auslasskanäle mit quaderförmigen Elektrodenstreifen nach Anspruch 5 ergeben sich in den Ein- und Auslasskanälen nur geringe Druckverluste. Die quaderförmigen Elektrodenstreifen haben eine Längsseite, eine Breite und eine Höhe bzw. Dicke.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird die gleichmäßige Durchströmung der Elektrode gefördert. Nur das in das Elektrodenmaterial eingesickerte Material der Abschlüsse verringert die Länge der Ein- und Auslasskanäle unwesentlich.
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Anspruch 4 hat beispielhafte Materialien für die Abschlüsse zum Gegenstand.
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Nach Anspruch 7 ist die Mehrzahl von Elektrodenstreifen in einer Ebene angeordnet, wodurch die Herstellung der Elektrode bzw. das Einsetzen in einen Flussrahmen sowie der Aufbau einer Redox-Flow-Batterie daraus vereinfacht werden.
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Nach Anspruch 8 ist die Elektrode in einen Flussrahmen eingesetzt, wodurch die Zu- und Abfuhr des flüssigen Elektrolyten vereinfacht wird.
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Anspruch 9 bezieht sich auf eine Redox-Flow-Batterie mit einer solchen Elektrode und weist dadurch eine verbesserte Leistung auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 wird die Membran beidseitig durch eine Gitterstruktur abgedeckt, um die mechanische Stabilität der Membran zu erhöhen. Geeignet hierfür ist z. B. Glasfasernetz oder Glasfasergitter. Hierdurch wird verhindert, dass der in den Strömungskanälen der Elektrode fließende Elektrolyt Teile aus der Membran herauslöst.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnung.
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Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
- 2 ein Detail A der Elektrode aus 1,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zu Ebene der Elektrode,
- 4 eine schematische Darstellung der Anordnung der Elektrode in einer Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweisen, und
- 5 den Aufbau einer Redox-Flow-Batterie nach dem Stand der Technik.
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1 zeigt in Aufsicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Elektrode 19 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zehn quaderförmige Elektrodenstreifen 20 aus porösem durchströmbaren Elektrodenmaterial sind an den Längsseiten parallel zueinander mit Abstand zueinander angeordnet. Die Elektrodenstreifen weisen ein erstes Ende 22 und ein zweites Ende 24 auf. Zwischen den Elektrodenstreifen 20 sind abwechselnd Einlasskanäle 26 und Auslasskanäle 28 angeordnet. Die Einlasskanäle 26 werden an den ersten Enden 22 der Elektrodenstreifen 20 zu einem Elektrolyt-Einlass 30 und an dem zweiten Ende 24 der Elektrodenstreifen 20 zu einem Elektrolyt-Auslass 32 zusammengefasst. Die Einlasskanäle 26 an den zweiten Enden 24 der Elektrodenstreifen 20 und die Auslasskanäle 28 an den ersten Enden 22 der Elektrodenstreifen 20 sind durch flüssigkeitsdichte Abschlüsse 34 geschlossen. Die Elektrode ist üblicherweise in einen Flussrahmen eingesetzt - siehe 4.
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2 zeigt eine Detaildarstellung der Elektrode 19 aus dem mit A gekennzeichneten Bereich in 1. Die Einlasskanäle 26 und die Auslasskanäle 28 reichen bis ca. 1mm an die ersten und zweiten Enden 22, 24 der Elektrodenstreifen 20 heran. Das verbleibende Stück Elektrode - ca. 1mm - wird mit Füllstoff abgedichtet, wodurch sich die Abschlüsse 34 ergeben. Der Füllstoff bzw. die flüssigkeitsdichten Abschlüsse 34 sind z. B. ein Polymer, der durch ein passendes Lösungsmittel verflüssigt wird. Nach Verflüchtigung des Lösungsmittels geht der Füllstoff einen elastischen und flüssigkeitsdichten Materialverbund mit den Elektrodenstreifen 20 ein und bildet die flüssigkeitsdichten Abschlüsse 34. Alternativ kann der der Füllstoff ein Polymer sein, welches durch Erhitzen verflüssigt wird und in die Elektrodenstreifen 20 einzieht. Nach Erkalten geht der Füllstoff einen elastischen und flüssigkeitsdichten Materialverbund mit Elektrodenstreifen 20 ein, wodurch die flüssigkeitsdichten Abschlüsse 34 gebildet sind. Mögliches Material für den Füllstoff kann sein: PVC-U Kleber (ca. 25% Polyvinylchlorid (PVC) + 75%Tetrahydrofuran (THF)), Silikonkleber, (geschmolzenes) Silikonkautschuk, Fluorkautschuk.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zu Ebene der Elektrode 19 nach 1, wobei eine Anode 36 und eine Kathode 38 mit einer Membran 40 dazwischen gezeigt ist. Sowohl die Anode 36 als auch die Kathode 38 ist als Elektrode 19 nach 1 ausgebildet. Die Elektroden 36, 38 werden jeweils von einer flüssigkeitsdichten Bipolarplatte oder Monopolarplatte 42 abgedeckt. Die Einlass- und Auslasskanäle 26, 28 reichen durch die gesamte Ebene der Elektroden 36, 38, um genug Platz für die Elektrolytströmung zu lassen und um die Druckverluste gering zu halten. Die Membran 40 wird beidseitig durch ein Glasfasernetz oder Glasfasergitter abgedeckt - nicht dargestellt. Hierdurch wird verhindert, dass der in den Strömungskanälen der Elektrode fließende Elektrolyt Teile aus der Membran herauslöst.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Elektrode 19 in einer Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweisen. Die Elektroden 19 sind jeweils in einen Flussrahmen 44 eingesetzt. Die beiden Elektroden 19 mit Flussrahmen 44 bilden Anode 36 und Kathode 38 und schließen die Membran 40 zwischen sich ein. Die von der Membran 40 abgewandte Seite der Elektroden 19 mit Flussrahmen 44 werden durch eine Monopolarplatte 42 bedeckt. Der Stapel wird Stromabnehmerplatten 46 abgeschlossen. Anstelle der Monopolarplatten 42 werden Bipolarplatten eingesetzt, wenn mehrere Zellen mit Anode 36, Kathode 38 und Membran 40 in einem Stapel angeordnet werden.
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Im Vergleich zum Stand der Technik sind die Druckverluste bis zu einem Faktor 30 reduziert. Auch Diffusionsverluste sind aufgrund der verkürzten Durchströmungslänge des porösen Elektrodenmaterials verkürzt. Außerdem ergibt sich bei einer Stromdichte von 160mA/cm2 und einer Elektrolytgeschwindigkeiten von 0.7cm/s eine Steigerung der Spannungseffizienz um bis zu 10%.
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Bezugszeichenliste
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- 2, 3
- Elektrolyttanks
- 4
- elektrochemischer Reaktor, Zelle
- 6
- Stromanschluss
- 8, 9
- Elektroden
- 10
- Membran
- 19
- Elektrode
- 20
- Elektrodenstreifen
- 22
- erstes Ende von 20
- 24
- zweites Ende von 20
- 26
- Einlasskanäle
- 28
- Auslasskanäle
- 30
- Elektrolyt-Einlass
- 32
- Elektrolyt-Auslass
- 34
- flüssigkeitsdichte Abschlüsse
- 36
- Anode
- 38
- Kathode
- 40
- Membran
- 42
- Bipolarplatte, Monopolarplate
- 44
- Flussrahmen
- 46
- Stromabnehmerplatten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012017306 A1 [0002]
- WO 2017/087365 A1 [0004]
- US 4615955 A [0005]
- WO 94/11912 A [0006, 0007]
