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Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, mit mindestens einer Zelle, wobei eine Zelle aus zwei Halbzellen aufgebaut ist, wobei jede Halbzelle mindestens einen Halbzellinnenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, wobei jeder Zelle mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran zugeordnet ist und wobei mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran gestapelt angeordnet sind.
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Bauelemente der eingangs genannten Art sind bekannt und kommen beispielsweise bei Redox-Flow-Batterien zum Einsatz. Redox-Flow-Batterien kommen insbesondere bei stationären Anwendungen zum Einsatz und sind vorteilhaft aufgrund ihrer hohen Zyklenlebensdauer, der Nichtbrennbarkeit sowie der unabhängigen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität. Bei Redox-Flow-Batterien wird die Energie in flüssigen Elektrolyten gespeichert. Für den Einspeichervorgang beziehungsweise den Ausspeichervorgang, also das Laden und Entladen der Batterie, zirkulieren die Elektrolyte durch Zellstapel, in welchen die Umwandlung zwischen elektrischer und chemischer Energie stattfindet. Die Zellstapel, auch Stacks genannt, bestehen im Allgemeinen aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen. Typischerweise besteht ein Redox-Flow-Stack aus 35 bis 40 Zellen, wobei jede Zelle aus Bauelementen wie Zellrahmen, Elektroden, Membranen und dazwischen angeordneten Dichtelementen besteht. Die Bauelemente können übereinander gestapelt und miteinander verpresst werden.
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Insbesondere aufgrund der Anordnung der Dichtelemente ist der Zusammenbau der Zellstapel sehr zeitaufwendig und somit kostenintensiv. Die Dichtigkeit der Zellstapel, durch die eine Vermischung der Elektrolyte innerhalb der Zellstapel verhindert werden muss, ist von hoher Wichtigkeit und stellt eine große Herausforderung dar. Auch eine Dichtigkeit der Zellstapel nach außen hin muss gegeben sein.
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Bei einem kraftschlüssigen Zusammenbau von Zellstapeln müssen alle Bauteile fehlerfrei und passend übereinander gestapelt werden, wobei insbesondere die Dichtungen exakt platziert werden müssen. Hierbei müssen bei der Herstellung der verwendeten Bauteile die Toleranzen bezüglich der Dicke und/oder der Nuttiefen für Dichtungsringe und andere Dichtelemente eingehalten werden, um eine Dichtigkeit des Zellstapels zu gewährleisten. Beispielsweise können massive Endplatten in der Herstellung des Zellstapels verwendet werden, durch die eine Verschraubung und eine Abdichtung mittels Kraftschluss erfolgen kann.
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Alternativ wurden Bauelemente für Redox-Flow-Batterien beschrieben, bei denen die Elektroden und Membranen jeweils stoffschlüssig mit den Zellrahmen verbunden werden, so dass auf Dichtelemente verzichtet werden kann, beispielsweise mittels Verschweißen in der
DE 10 2013 107 516 A1 oder mittels Verkleben in der
DE 10 2015 102 123 A1 .
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Nachteilig an den genannten Verfahren ist jedoch, dass bei der Montage des Stacks zwischen einem Stapelschritt immer ein Fügeschritt, beispielsweise Verschweißen oder Verkleben, erfolgen muss, so dass der Prozess zeitaufwändig ist.
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Des Weiteren gelten für das Verschweißen Einschränkungen in der Materialauswahl, da nicht alle Elemente aus allen Materialien miteinander verschweißbar sind. Weiterhin ist aus der
DE 10 2016 004 027 A1 eine Zelle und ein Zellstack einer Redox-Flow-Batterie und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zellstacks bekannt. Eine Zelle einer Redox-Flow-Batterie weist hierbei mindestens zwei Zellrahmenelemente, eine Membran und zwei Elektroden auf, wobei mindestens zwei Zellrahmenelemente, die Membran und die zwei Elektroden zwei voneinander getrennte Halbzellinnenräume umschließen. In den mindestens zwei Zellrahmenelementen sind mindestens vier separate Kanäle so vorgesehen, dass die beiden Zellinnenräume von unterschiedlichen Elektrolytlösungen durchströmt werden können. Die Zelle ist hierbei mit Ausnahme der wenigstens vier separaten Kanäle flüssigkeitsdicht ausgebildet. Bei einem Verfahren zur Herstellung werden die wenigstens zwei Zellrahmenelemente, die Elektroden und die Membran in einem Gussgehäuse platziert und der Spalt zwischen den Zellrahmenelementen, den beiden Elektroden und der Membran werden mit einem flüssigen Gussmedium aufgefüllt, so dass alle genannten Komponenten miteinander flüssigkeitsdicht vergossen werden. Nachteilig an dem Konzept des Vergießens ist beispielsweise, dass der Zellrahmen Teil des Dichtkonzeptes ist und somit zwingend Zellrahmen verwendet werden müssen und Materialanforderungen bezüglich der Haftung der Gussmedien an den Zellrahmen gestellt werden.
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Bei anderen gängigen Konzepten nach dem Stand der Technik erfolgt die Abdichtung einer Halbzelle eines Zellstapel dadurch, dass jeweils zumindest abschnittsweise eine fluiddichte Verbindung zwischen Elektrode und Rahmen sowie zumindest abschnittsweise eine fluiddichte Verbindung zwischen Rahmen und Membran ausgebildet wird. Dies geschieht beispielsweise durch die Verwendung von Dichtelementen oder durch Verkleben oder Verschweißen der Elektrode mit dem Rahmen sowie des Rahmens mit der Membran. Der Zellrahmen ist also Bestandteil des Dichtkonzeptes.
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Weiterhin übernehmen die Zellrahmen die Aufgabe, den Abstand zwischen Elektrode und Membran zu definieren und dadurch die Dicke des Halbzellinnenraums und somit die Verpressung der Filzelektrode, sofern eine Filzelektrode verwendet wird, zu definieren.
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Zudem wird über den Zellrahmen nach dem Stand der Technik die Elektrolytzuführung sowie die Elektrolytabführung in beziehungsweise aus dem Halbzellinnenraum gewährleistet sowie die Elektrolytzuführungsleitung und die Elektrolytabführungsleitung ausgebildet. Die Abdichtung zwischen den einzelnen Elementen des Zellstapels zur Ausbildung einer abgedichteten Elektrolytführungsleitung stellt eine weitere Herausforderung dar.
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Entsprechend der geschilderten Aufgaben werden Anforderungen an den Zellrahmen gestellt, beispielsweise hinsichtlich der Toleranzen in der Fertigung oder hinsichtlich Materialeigenschaften, die für die Verklebung oder das Verschweißen nötig sind. Des Weiteren werden zusätzliche Anforderungen an die Ausbildung der Elektrolytversorgungsleitung und der Elektrolytentsorgungsleitung sowie an die Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen gestellt. Die Zellrahmen stellen daher oft recht komplexe Elemente dar, deren Fertigung anspruchsvoll und somit teuer sein kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie vorzuschlagen, mit dem ein zeiteffizienter und kosteneffizienter Aufbau eines abgedichteten Bauelementes für eine Redox-Flow-Batterie ermöglicht ist
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes mit den Merkmalen des Patentanspruches 15. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Bei einem Bauelement, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, mit mindestens einer Zelle, wobei eine Zelle aus zwei Halbzellen aufgebaut ist, wobei jede Halbzelle mindestens einen Halbzellinnenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, wobei jeder Zelle mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran zugeordnet ist und wobei mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran gestapelt angeordnet sind, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden sind. Ein Bauelement, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, weist mindestens eine Zelle, vorzugsweise eine Vielzahl von Zellen auf, wobei mindestens eine Zelle aus zwei Halbzellen aufgebaut ist. Jede Halbzelle weist mindestens einen Halbzellinnenraum auf, in den ein Elektrolyt eingeleitet wird. Die Halbzellinnenräume sind jeweils abschnittsweise von mindestens einer Elektrode und jeweils mindestens einer Membran abgeschlossen. In einem Halbzellinnenraum kann ein poröser, elektrisch leitender Filz angeordnet sein, so dass die Oberfläche für die elektrochemische Reaktion im Halbzellinnenraum vergrößert ist. Die Elektroden und die Membranen sind im Wesentlichen flächig ausgebildet und weisen Stapelflächen sowie seitlich umlaufende, die Stapelflächen begrenzende Seitenflächen auf. Die Stapelflächen zweier in einem Zellstapel übereinander, also benachbart angeordneter Bauteile, sind einander zugewandt während die Seitenflächen nach außen gewandt sind. Beispielsweise können die Stapelflächen eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche oder eine runde, insbesondere eine kreisrunde, Grundfläche aufweisen. Insbesondere bei Membranen und Elektroden mit rechteckiger Grundfläche spannen die Seitenflächen jeweils eine Ebene auf, wobei die von den Seitenflächen aufgespannten Ebenen senkrecht zu der von den Stapelflächen aufgespannten Ebenen angeordnet ist. Bei Membranen und Elektroden mit runden Grundflächen ist die von den Seitenflächen aufgespannte Mantelfläche senkrecht zu den Stapelflächen angeordnet. Zur Abdichtung sind mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Durch die zumindest abschnittsweise fluiddichte Verbindung zwischen einer Membran und einer Elektrode kann zwischen der Membran und der Elektrode ein Halbzellinnenraum ausgebildet sein. Die fluiddichte Verbindung kann hierbei beispielsweise zwischen den einander zugewandten Stapelflächen der Elektrode und der Membran ausgebildet sein. Insbesondere kann die fluiddichte Verbindung im Bereich der übereinander angeordneten Seitenränder der Stapelflächen der Elektrode und der Membran, insbesondere parallel zu den Seitenrändern der Stapelflächen, ausgebildet sein, so dass ein Halbzellinnenraum zur Aufnahme des Elektrolyts zwischen den Stapelflächen und der umlaufenden fluiddichten Verbindung ausgebildet ist. Die fluiddichte Verbindung kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung oder ähnliches ausgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, dass zur Abdichtung und zur Ausbildung eines Halbzellinnenraumes eine Membran und eine Elektrode jeweils an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden sind. Ein Halbzellinnenraum ist hierbei durch die einander zugewandten Stapelflächen der Elektrode und der Membran sowie die umlaufende fluiddichte Verbindung der Seitenflächen der Elektrode und der Membran ausgebildet. Durch die fluiddichte Verbindung der Membran mit der Elektrode ist es nicht notwendig, beispielsweise durch die Anordnung von Dichtelementen und den Aufbau einer kraftschlüssigen Verbindung eine Dichtigkeit, insbesondere der Halbzellinnenräume, herzustellen. Auf Dichtelemente, wie beispielsweise Dichtungsringe und deren aufwendige Montage, kann somit verzichtet werden. Eine Abdichtung der Elektrode und der Membran ist somit ohne die Einbeziehung von Zellrahmen in das Dichtkonzept möglich und vorteilhaft. Dafür können die Membran und die Elektrode direkt miteinander fluiddicht verbunden werden. Von den Zellrahmen müssen für die Ausbildung der fluiddichten Verbindung keine Aufgaben übernommen werden. Zellrahmen können, sofern sie überhaupt verwendet werden, lediglich die Aufgabe der Elektrolytzuführung und Elektrolytabführung und/oder die Aufgabe der Ausbildung einer Elektrolytversorgungsleitung und/oder einer Elektrolytentsorgungsleitung oder die Aufgabe eines Abstandshalters zwischen Membran und Elektrode, übernehmen. Durch die Verringerung der Anforderungen an die Zellrahmen mit der Möglichkeit, vollständig auf Zellrahmen zu verzichten, können die Kosten gesenkt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran jeweils seitlich umlaufend zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Zur Abdichtung sind mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran beispielsweise an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche zumindest abschnittsweise umlaufend fluiddicht verbunden. Weiterhin ist es möglich, eine fluiddichte Verbindung zwischen den Randbereichen der Elektrode sowie der Membran, insbesondere der Randbereiche der einander zugewandten Stapelflächen herzustellen. Die fluiddichte Verbindung kann hierbei beispielsweise stoffschlüssig oder auch kraftschlüssig erfolgen. Insbesondere ist zwischen der Elektrode und der Membran ein Halbzellinnenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet. Durch die zumindest abschnittsweise umlaufende fluiddichte Verbindung ist es nicht notwendig, beispielsweise durch Dichtelemente zwischen den Bauteilen eine kraftschlüssige Verbindung aufzubauen, um die Dichtigkeit des Bauelementes zu gewährleisten. Durch die fluiddichte Verbindung der nach außen gewandten Seitenflächen ist auf einfache Art und Weise eine Abdichtung der Halbzellinnenräume einer Redox-Flow-Batterie ermöglicht, ohne dass auf zusätzliche Dichtungselemente zurückgegriffen werden muss.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran jeweils umlaufend mit mindestens einer Seitenplatte zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Bei einer Seitenplatte kann es sich um ein flächig ausgebildetes Bauteil handeln. Insbesondere kann die Seitenplatte bei der Verwendung von Membranen und Elektroden mit rechteckiger Grundfläche in etwa die gleiche Breite wie die Seitenflächen der Elektrode und der Membran aufweisen. Bei der Verwendung von Membranen und Elektroden mit runder Grundfläche kann eine Seitenplatte beispielsweise flexibel ausgebildet sein, so dass die Seitenplatte um die Seitenflächen der Membranen und Elektroden herumgelegt werden. Um eine fluiddichte Verbindung zwischen einer Membran und einer Elektrode herzustellen, können diese beispielsweise an ihren nach außen gewandten Seitenflächen mit mindestens einer Seitenplatte verbunden werden. Zwischen den Seitenflächen der Elektrode und der Membran sowie der Seitenplatte wird eine fluiddichte Verbindung beispielsweise durch eine stoffschlüssige, insbesondere durch eine Klebeverbindung hergestellt. Hierbei ist die von der Seitenplatte aufgespannte Ebene in etwa parallel zu der von den Seitenflächen der Elektrode sowie der Membran aufgespannten Ebenen angeordnet. Weiterhin ist es möglich, eine fluiddichte Verbindung zwischen den Randbereichen der Elektrode sowie der Membran, insbesondere der Randbereiche der einander zugewandten Stapelflächen und einer oder mehrerer Seitenplatten herzustellen. Durch die Verwendung einer Seitenplatte ist eine besonders einfache Art der fluiddichten Verbindung ermöglicht, da diese nach dem Stapelprozess der einzelnen Bauelemente seitlich angebracht werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei mindestens einer fluiddichten Verbindung um eine stoffschlüssige Verbindung. Fluiddichte Verbindungen, beispielsweise zwischen einer Elektrode und einer Membran, insbesondere zwischen den Randbereichen der Stapelflächen und/oder den Seitenflächen einer Elektrode und einer Membran, beziehungsweise den Seitenflächen einer Elektrode, einer Membran und eines Zellrahmens oder auch zwischen einer Elektrode, einer Membran, eines Zellrahmens und einer Seitenplatte, insbesondere zwischen den Seitenflächen und einer Seitenplatte, können stoffschlüssig hergestellt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei mindestens einer stoffschlüssigen Verbindung um eine Klebeverbindung. Stoffschlüssige Verbindungen, beispielsweise zwischen einer Membran und einer Elektrode, insbesondere zwischen den Randbereichen der Stapelflächen und/oder den Seitenflächen einer Elektrode und einer Membran, oder auch zwischen einer Membran, einer Elektrode, einem Zellrahmen und einer Seitenplatte, insbesondere zwischen den Seitenflächen der Bauteile und einer Seitenplatte, können auf einfache Art und Weise durch Klebeverbindungen hergestellt werden. Beispielsweise kann der zu verwendende Klebstoff auf eine Seitenplatte aufgetragen sein und somit kann die fluiddichte Klebeverbindung zwischen der Seitenplatte und den Randbereichen der Elektrode sowie der Membran, insbesondere der Randbereiche der einander zugewandten Stapelflächen und/oder den Seitenflächen der Bauteile auf sehr zeiteffiziente Art und Weise hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei mindestens einer stoffschlüssigen Verbindung um eine Schweißverbindung. Durch Verschweißen können die Bauelemente fluiddicht verbunden werden. Hierdurch sind besonders sichere und präzise fluiddichte Verbindungen zwischen den Bauteilen oder auch zwischen den Bauteilen und den Seitenplatten ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens eine Halbzelle mindestens einen Zellrahmen auf, mindestens ein Halbzellinnenraum ist zumindest abschnittsweise durch mindestens einen Zellrahmen ausgebildet und mindestens ein Zellrahmen ist mit mindestens einer Membran und mit mindestens einer Elektrode gestapelt angeordnet. Der Halbzellinnenraum einer Halbzelle kann abschnittsweise durch einen Zellrahmen ausgebildet sein. Bei dem Zellrahmen handelt es sich um ein rahmenförmiges Bauteil, das zumindest abschnittsweise einen Hohlraum, insbesondere zur Aufnahme eines Elektrolyten, umgibt. Eine mögliche Anordnung kann somit aus der Abfolge einer Elektrode, eines Zellrahmens sowie einer Membran bestehen. Der typische Aufbau einer Zelle aus zwei Halbzellen wäre beispielsweise eine Elektrode gefolgt von einem mit einem ersten Elektrolyten gefüllten Zellrahmen, einer Membran, an die sich ein zweiter Zellrahmen mit einem zweiten Elektrolyten anschließt gefolgt von einer weiteren Elektrode. Die fluiddichte Abdichtung der Halbzelle kann durch die fluiddichte Verbindung der Elektrode und der Membran gewährleistet sein, so dass der Zellrahmen als Abstandhalter zwischen der Membran und der Elektrode dient sowie die Aufgabe der Elektrolytzuführung und Elektrolytabführung gewährleistet. Die Grundfläche der Membran und die Grundfläche der Elektrode, also die Stapelflächen, können die Grundfläche des Zellrahmens seitlich überragen. Im Gegensatz zum Stand der Technik übernimmt der Zellrahmen nicht die Eigenschaft, dass er Bestandteil des Dichtkonzeptes ist, insbesondere ist der Zellrahmen nicht in der fluiddichten Verbindung zwischen Elektrode und Membran integriert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens eine Elektrode, mindestens eine Membran und mindestens ein Zellrahmen jeweils seitlich an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. In einer möglichen Schichtabfolge können eine Membran, ein Zellrahmen und eine Elektrode gestapelt angeordnet sein, wobei die Elektrode, der Zellrahmen und eine Membran an ihren Seitenflächen fluiddicht verbunden werden können. Durch die Verbindung der nach außen gewandten Seitenflächen ist ein fluiddichter Abschluss einer Halbzelle, insbesondere des Halbzellinnenraumes, beziehungsweise eines ganzen Zellstapels bei mehreren aufeinanderfolgenden Bauelementen erreicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens eine Elektrode, mindestens eine Membran und mindestens ein Zellrahmen jeweils seitlich an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche mit mindestens einer Seitenplatte zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Die Bauteilabfolge einer Halbzelle, beispielsweise bestehend aus einer Elektrode, einem Zellrahmen und einer Membran, wobei eine Elektrode und eine Membran zwei Halbzellen zugeordnet sein kann, kann durch das Anbringen einer Seitenplatte fluiddicht miteinander verbunden sein. Hierbei sind die übereinander gestapelten Elektroden, Zellrahmen und Membranen an den nach außen gewandten Seitenflächen fluiddicht mit mindestens einer Seitenplatte verbunden. Insbesondere können die Membranen, die Elektroden sowie die Zellrahmen eines Zellstapels seitlich mit ihren vier Seitenflächen jeweils mit einer Seitenplatte fluiddicht verbunden sein. Beispielsweise kann hierbei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einer Seitenplatte und den gestapelt angeordneten Bauteilen, also den Membranen, den Zellrahmen und den Elektroden, hergestellt werden. Durch die Verwendung von Seitenplatten, insbesondere an den vier Seitenflächen der Bauteile, ist auf einfache Art und Weise eine zeiteffiziente fluiddichte Verbindung der Bauteile geschaffen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind mindestens eine Elektrode, mindestens ein Zellrahmen und mindestens eine Membran jeweils seitlich an vier Seitenflächen seitlich mit jeweils einer Seitenplatte zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Mindestens eine Elektrode, mindestens ein Zellrahmen und mindestens eine Membran mit rechteckiger Grundfläche der gestapelten Bauteile eines Zellstapels, vorzugsweise alle Bauteile eines Zellstapels, sind seitlich an ihren vier Seitenflächen, die jeweils die viereckige Stapelfläche begrenzen, mit einer Seitenplatte fluiddicht verbunden. Ein Zellstapel kann somit vier Seitenplatten aufweisen, wobei zwei benachbart angeordnete Seitenplatten zusammen einen Winkel von etwa 90° aufspannen können. Durch vier Seitenplatten, die mit den Seitenflächen der Bauelemente verbunden sind, kann somit eine vollständige fluiddichte Abdichtung des Zellstapels erfolgen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens einem Halbzellinnenraum mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung zugeordnet und mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung ist durch mindestens eine Öffnung in mindestens einer zwischen mindestens einer Membran und mindestens einer Elektrode ausgebildeten fluiddichten Verbindung ausgebildet. Zellen können aus zwei Halbzellen bestehen, wobei jede Halbzelle einen Halbzellinnenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist. Um einen Durchfluss des Elektrolyten durch den Halbzellinnenraum zu gewährleisten, weist eine Halbzelle eine Elektrolytzuführung und eine Elektrolytabführung auf. Die Elektrolytzuführungen beziehungsweise Elektrolytabführungen können mit Elektrolytleitungen verbunden sein, die zu einem Elektrolytvorrat, also einem Elektrolytreservoir führen. Zwischen einer Membran und einer Elektrode, beispielsweise zwischen den Randbereichen der einander zugewandten Stapelflächen der Membran und der Elektrode, ist eine den Halbzellinnenraum umlaufende zumindest abschnittsweise fluiddichte Verbindung ausgebildet. Insbesondere kann beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Membran und der Elektrode hergestellt sein und somit ein Halbzellinnenraum zwischen der Membran und der Elektrode ausgebildet sein. Die Elektrolytzuführungen und die Elektrolytabführungen können insbesondere durch Öffnungen oder Hohlräume in der fluiddichten Verbindung der Membranen und der Elektroden ausgebildet sein. Durch die Hohlräume können die Elektrolytzuführung beziehungsweise die Elektrolytabführung zu dem Halbzellinnenraum gewährleistet sein. Somit ist auf besonders einfache Art und Weise eine Elektrolytversorgung der Halbzellinnenräume der Halbzellen ermöglicht. Beispielsweise kann die fluiddichte Verbindung durch eine Klebeverbindung ausgebildet sein. Hierbei können die Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen durch Hohlräume in dem Klebematerialvolumen ausgebildet sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist eine Halbzelle mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder eine Elektrolytabführung auf und mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens Elektrolytabführung ist jeweils zumindest abschnittsweise durch mindestens einen Hohlraum in einem Zellrahmen und eine seitlich in einem Zellrahmen angeordnete Durchlassöffnung ausgebildet. Die Zellrahmen einer Halbzelle können den Halbzellinnenraum der Halbzelle, in den das Elektrolyt aufgenommen wird, zumindest abschnittsweise ausbilden, wobei die fluiddichte Abdichtung der Halbzelleninnenräume durch die fluiddichte Verbindung der Membran mit der Elektrode erfolgen kann. Um eine Zirkulation des Elektrolyts zu ermöglichen, weist ein Zellrahmen seitliche Durchlassöffnungen auf, die durch einen Hohlraum im Zellrahmen mit dem Innenraum des Zellrahmens, dem Halbzellinnenraum, verbunden sind. Durch die Hohlräume in den Zellrahmen und die Durchlassöffnungen kann Elektrolyt durch die Halbzellinnenräume geleitet werden. Die Durchlassöffnungen und die Hohlräume in den Zellrahmen sind hierbei so ausgerichtet, dass ein Fluidstrom durch die Hohlräume in den Zellrahmen und die Öffnungen der fluiddichten Verbindung zwischen der Membran und der Elektrode ermöglicht ist. Somit kann ein Elektrolyt durch die Öffnung in der fluiddichten Verbindung und den Hohlraum im Zellrahmen in den Halbzellinnenraum gelangen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung verengt sich der Hohlraum von der Breite des Halbzellinnenraumes ausgehend in Richtung der seitlichen Durchlassöffnung. Ein Zellrahmen einer Halbzelle kann rahmenförmig aufgebaut sein und einen Halbzellinnenraum abschnittsweise umgeben. Insbesondere ist der Halbzellinnenraum abschnittsweise durch die Innenseiten des Zellrahmens, also die nach innen gewandten Seitenflächen des Rahmens, begrenzt. Von der Breite des Halbzellinnenraumes in Richtung der an den äußeren Seitenflächen angeordneten Durchlassöffnungen verengt sich der Hohlraum, durch den die Elektrolytzuführungen beziehungsweise Elektrolytabführungen abschnittsweise ausgebildet sind. Insbesondere können die Hohlräume eines Zellrahmens, von dem einer die Elektrolytzuführung abschnittsweise ausbildet und einer die Elektrolytabführung abschnittsweise ausbildet, in zueinander parallel angeordneten Rahmenabschnitten des Zellrahmens angeordnet sein. Die Hohlräume der Elektrolytzuführung und der Elektrolytabführung verengen sich jeweils in Richtung der nach außen gerichteten Seitenflächen. Die Hohlräume sind somit zumindest abschnittsweise trichterförmig ausgebildet, wobei die Trichteröffnungen einander zugewandt angeordnet sind. Durch die Aufweitung beziehungsweise Verengung der Hohlräume von den Durchlassöffnungen ausgehend, ist eine effiziente Durchströmung des Halbzellinnenraumes mit dem Elektrolyt ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine Halbzelle mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung auf, ein Zellrahmen ist durch mindestens zwei Zellrahmenelemente ausgebildet und mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung ist zumindest abschnittsweise durch mindestens einen Freiraum zwischen mindestens zwei Zellrahmenelementen ausgebildet. Ein Zellrahmen einer Halbzelle kann durch Zellrahmenelemente ausgebildet sein. Somit kann ein Zellrahmen insbesondere zweiteilig ausgebildet sein. Hierbei kann ein Zellrahmenelement mindestens einen Rahmenschenkel und mindestens einen im rechten Winkel dazu angeordneten Schenkelabschnitt aufweisen. Beispielsweise kann ein Zellrahmenelement L-förmig ausgebildet sein, wobei zwischen einem Rahmenschenkel und einem Rahmenschenkelabschnitt ein rechter Winkel aufgespannt ist. Zwei derartige Zellrahmenelemente können zur Ausbildung eines Zellrahmens beispielsweise so angeordnet werden, dass jeweils die Rahmenschenkel zueinander parallel angeordnet sind und die Schenkelabschnitte parallel zueinander angeordnet sind, so dass sich beispielsweise eine rechteckige Form des Zellrahmens ergeben kann. Zwischen jeweils einem Schenkelabschnitt des einen Zellrahmenelementes und einem Rahmenschenkel des anderen Zellrahmenelementes kann ein Freiraum bestehen, so dass sich die Zellrahmenelemente nicht berühren. Durch den Freiraum zwischen den Zellrahmenelementen kann abschnittsweise eine Elektrolytzuführung beziehungsweise eine Elektrolytabführung ausgebildet sein. Durch den Freiraum zwischen den Zellrahmenelementen kann also ein Elektrolyt in den Halbzellinnenraum eingeleitet und wieder ausgeleitet werden. Hierbei sind die Freiräume so ausgerichtet, dass ein Elektrolytstrom durch die Öffnung in der fluiddichten Verbindung zwischen der Membran und der Elektrode in den Halbzellinnenraum möglich ist. Die Schenkelabschnitte können so ausgebildet sein, dass der Freiraum zwischen den Zellrahmenelementen abschnittsweise trichterförmig ausgebildet ist, so dass sich die durch den Freiraum ausgebildete Elektrolytzuführung beziehungsweise Elektrolytabführung in Richtung des Halbzellinnenraumes aufweitet. Durch die Ausbildung der Elektrolytzuführungen beziehungsweise Elektrolytabführungen durch einen Freiraum zwischen den Zellrahmenelementen ist auf besonders einfache Art und Weise die Zirkulation eines Elektrolyten durch den Halbzellinnenraum ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens eine Halbzelle mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung auf und mindestens eine Elektrolytabführung und mindestens eine Elektrolytzuführung ist durch mindestens eine Durchlassöffnung in mindestens einer Seitenplatte ausgebildet. Eine Halbzelle weist vorzugsweise eine Elektrolytzuführung und eine Elektrolytabführung auf. Durch die Elektrolytzuführung und die Elektrolytabführung ist eine Zirkulation des Elektrolyts durch den Halbzellinnenraum der Halbzelle ermöglicht. Die Membranen und Elektroden einer Halbzelle beziehungsweise einer Zelle können seitlich an ihren nach außen gewandten Seitenflächen mit einer Seitenplatte verbunden sein. Um eine Elektrolytzuführung beziehungsweise Elektrolytabführung zu gewährleisten kann die Seitenplatte Durchlassöffnungen aufweisen, durch die das Elektrolyt in den Halbzellinnenraum gelangen kann. Beispielsweise können die Durchlassöffnungen der Seitenplatten mit Zuführungsleitungen beziehungsweise Abführungsleitungen für das Elektrolyt verbunden sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Elektrolytzuführung mit mindestens einer Elektrolytzuführungsleitung und mindestens eine Elektrolytabführung mit mindestens einer Elektrolytabführungsleitung verbunden und mindestens eine Elektrolytzuführungsleitung und/oder mindestens eine Elektrolytabführungsleitung verläuft außerhalb der Stapelflächen der Elektrode und/oder der Stapelfläche der Membran und/oder der Stapelflächen der Zellrahmen. Vorzugsweise weist jede Halbzelle eine Elektrolytzuführung und eine Elektrolytabführung auf, um ein Durchleiten des Elektrolyten durch den Halbzellinnenraum zu ermöglichen. Die Elektrolytzuführungen der Halbzellen sind mit Elektrolytzuführungsleitungen verbunden, die Elektrolytabführungen der Halbzellen sind mit Elektrolytabführungsleitungen verbunden. Durch die Elektrolytzuführungsleitungen und Elektrolytabführungsleitungen sind die Halbzellinnenräume über die Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen jeweils mit einem Elektrolytreservoir verbunden. Es ist möglich, die Ausbildung von Elektrolytversorgungsleitungen und/oder Entsorgungsleitungen außerhalb der Zellrahmen zu realisieren und damit die Ansprüche an die Zellrahmen weiter zu senken und den Prozess der Herstellung der fluiddichten Verbindungen zu vereinfachen. Die Elektrolytzuführungsleitungen beziehungsweise Elektrolytabführungsleitungen sind so angeordnet, dass sie außerhalb der Stapelflächen der Membran und/oder der Elektrode und/oder des Zellrahmens verlaufen. Die Elektrolytleitungen schneiden also nicht die senkrecht zu den Stapelflächen verlaufenden äußeren Seitenflächen der Membran, der Elektrode oder des Zellrahmens beziehungsweise die von den Seitenflächen aufgespannnte Ebene. Beispielsweise kann es sich bei den Elektrolytzuführungsleitungen und Elektrolytabführungsleitungen um Schlauchleitungen handeln, die außerhalb der Stapelflächen angeordneten sein können. Durch die Anordnung der Zu- und Abführungsleitungen außerhalb der Stapelflächen ist ein besonders einfacher Aufbau einer Redox-Flow-Batterie und somit eine besonders einfache Montage ermöglicht, da die Ausbildung der Elektrolytzuführungsleitung und Elektrolytabführungsleitung nicht durch die gestapelten Zellrahmen erfolgt. Somit können die Elektrolytzuführungsleitung und Elektrolytabführungsleitung zeitlich und funktionell separiert von der Ausbildung der fluiddichten Verbindung zwischen Membran und Elektrode ausgebildet werden
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Elektrolytzuführungsleitung und/oder mindestens eine Elektrolytabführungsleitung durch jeweils mindestens einen Hohlraum in mindestens einer Seitenplatte ausgebildet. Die Membranen und Elektroden einer Zelle, beziehungsweise die Membranen, die Elektroden und die Zellrahmen einer Zelle können umlaufend, beispielsweise seitlich, an ihren nach außen weisenden Seitenflächen mit einer Seitenplatte fluiddicht verbunden sein. Um eine Fluidströmung zwischen den Halbzellinnenräumen zu ermöglichen, können Elektrolytzuführungsleitungen und/oder Elektrolytabführungsleitungen, die die Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen der Halbzelle miteinander verbinden, durch Hohlräume in den Seitenplatten ausgebildet sein. Insbesondere können die Seitenplatten hierbei jeweils zum Anschluss an die Elektrolytzuführung und Elektrolytabführung positionierte innere Kanäle aufweisen, so dass eine fluiddichte Verbindung nach außen gegeben ist. Weiterhin können die Seitenplatten an ihren nach innen gewandten Seitenflächen, also an den mit den Seitenflächen der Membranen und Elektroden verbundenen Seitenflächen offene Kanäle, insbesondere Nuten, Taschen oder ähnliches, aufweisen, die als Zuführungsleitungen und Abführungsleitungen dienen können. In diesem Fall sind die Zu- und Abführungsleitungen abschnittsweise durch die Seitenplatten und abschnittsweise durch die Seitenflächen der Membranen und Elektroden ausgebildet. Durch die Ausbildung der Elektrolytzuführungsleitungen und Elektrolytabführungsleitungen durch die Seitenplatten ist eine sehr zeiteffiziente und kostengünstige Montage der Elektrolytzuführungsleitungen und Elektrolytabführungsleitungen ermöglicht.
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In einer Ausführung der Erfindung ist mindestens eine Elektrolytzuführungsleitung und/oder mindestens eine Elektrolytabführungsleitung außerhalb der Seitenplatten angeordnet. Die Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen können durch Durchlassöffnungen in den Seitenplatten ausgebildet sein. Die Durchlassöffnungen in den Seitenplatten können beispielsweise durch Schlauchleitungen verbunden werden, so dass hierdurch eine besonders einfache Montage der Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen gegeben ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist mindestens ein Zellrahmen mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung auf und mindestens ein Zellrahmen bildet mindestens eine Elektrolytzuführungsleitung und/oder mindestens eine Elektrolytabführungsleitung zumindest abschnittsweise aus und die mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder die mindestens eine Elektrolytabführung ist fluiddicht mit der Elektrolytzuführungsleitung und/oder mit der Elektrolytabführungsleitung verbunden. Der Halbzellinnenraum einer Halbzelle kann abschnittsweise von den Innenseiten eines Zellrahmens ausgebildet sein, wobei der Halbzellinnenraum nach oben und unten durch eine Membran und eine Elektrode abgeschlossen ist. Um eine Versorgung des Halbzellinnenraumes mit einem Elektrolyt zu ermöglichen, weist der Zellrahmen mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder eine Elektrolytabführung auf. Die Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen können durch Öffnungen, insbesondere an der Innenseite, also der dem Halbzellinnenraum zugewandten der Zellrahmenelemente ausgebildet sein. Mit den Elektrolytzuführungen und Elektrolytabführungen sind jeweils Elektrolytzuführungs- und Elektrolytabführungsleitungen verbunden. Die Elektrolytführungsleitungen können durch Hohlräume in dem Zellrahmen ausgebildet sein. Insbesondere können die Elektrolytführungsleitungen durch Hohlräume, insbesondere durch geschlossene Kanäle, ausgebildet sein, die sich senkrecht zur Stapelfläche des Zellrahmenelementes erstrecken. Da die Membranen und Elektroden den Zellrahmen seitlich überragen und die fluiddichte Abdichtung der Halbzellinnenräume über die Verbindung der Membranen und Elektroden untereinander erfolgt, sind zur Ausbildung der Elektrolytleitungen entsprechende Öffnungen in den Membranen und Elektroden vorgesehen. Durch die gestapelte Anordnung der Rahmenelemente, der Membranen und der Elektroden sowie die deckungsgleiche Anordnung der für die Elektrolytführungsleitungen vorgesehenen Öffnungen kann eine sich über einen gesamten Zellstack erstreckende Elektrolytführungsleitung ausgebildet werden. Die fluiddichte Verbindung der Membran und der Elektrode kann hierbei beispielsweise durch eine umlaufende fluiddichte Verbindung an den Seitenflächen der Membran und der Elektrode erfolgen. Weiterhin kann auch die fluiddichte Verbindung der Seitenflächen zu Seitenplatten vorgesehen sein, so dass ein aus den Bauelementen zusammengesetzter Zellstack nach außen hin fluiddicht abgeschlossen ist. Zwischen den Öffnungen in den Zellrahmen, Membranen und Elektroden müssen ebenfalls fluiddichte Verbindungen hergestellt werden, so dass eine abgedichtete Elektrolytführungsleitung ausgebildet wird. Diese Abdichtung kann beispielsweise mit O-Ringen oder ähnlichen Dichtungsmaterialien erfolgen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Bauelementes, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, mit mindestens einer Zelle, wobei eine Zelle aus zwei Halbzellen aufgebaut ist, wobei jede Halbzelle mindestens einen Halbzellinnenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, wobei jeder Zelle mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran zugeordnet ist und wobei die Elektroden und mindestens eine Membran gestapelt angeordnet werden, bei dem erfindungswesentlich vorgesehen ist, dass mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran fluiddicht verbunden werden. Zur Herstellung eines Bauelementes für eine Redox-Flow-Batterie, insbesondere zur Herstellung eines Zellstapels einer Redox-Flow-Batterie werden Elektroden und Membranen zu Halbzellen gestapelt. Jede Halbzelle weist einen Halbzellinnenraum auf, der zumindest abschnittsweise zwischen einer Elektrode und einer Membran ausgebildet sein kann. Zur Herstellung eines Zellstapels werden Elektroden und Membranen gestapelt angeordnet und die Elektroden und Membranen werden zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Durch die fluiddichte Verbindung der Elektroden sowie der Membranen, insbesondere in den Randbereichen der Elektroden und Membranen kann ein Halbzellinnenraum ausgebildet werden. Insbesondere ist hierbei ein Halbzellinnenraum zumindest abschnittsweise durch die einander zugewandten Stapelflächen der Elektrode und der Membran sowie durch die fluiddichte Verbindung zwischen der Membran und der Elektrode ausgebildet. Die fluiddichte Verbindung kann beispielsweise zwischen den Randbereichen der einander zugewandten Stapelflächen hergestellt werden.
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Insbesondere kann die fluiddichte Verbindung parallel zu den Randbereichen der Stapelflächen angeordnet werden, so dass durch die einander zugewandten Stapelflächen und die umlaufende fluiddichte Verbindung ein Halbzellinnenraum ausgebildet wird. Weiterhin ist es möglich, dass die fluiddichte Verbindung zwischen den nach außen gewandten Seitenflächen der Membran und der Elektrode ausgebildet ist. Die Ausbildung einer fluiddichten Verbindung kann zwischen allen Membranen und Elektroden eines Zellstapels in einem zusammenhängen Schritt nach dem Stapeln der Elemente eines Zellstapels erfolgen. Es ist also nicht nötig, zwischen jedem Stapelschritt ein Dichtelement einzulegen und/oder einen Fügevorgang (zum Beispiel Verschweißen) durchzuführen. Durch die Erfindung kann somit die Herstellung von Zellstapeln einfacher und schneller und somit kostengünstiger erfolgen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens werden mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran jeweils seitlich umlaufend zumindest abschnittsweise fluiddicht miteinander verbunden. Die Elektroden und die Membranen sind im Wesentlichen flächig ausgebildet und weisen Stapelflächen sowie seitlich umlaufende, die Stapelflächen begrenzende Seitenflächen auf. Die Stapelflächen zweier in einem Zellstapel übereinander, also benachbart angeordneter Membranen und Elektroden, sind einander zugewandt angeordnet, während die Seitenflächen nach außen gewandt ausgerichtet sind. Die Seitenflächen werden vorzugsweise so ausgerichtet, dass die Seitenflächen der Membranen und Elektroden in einer Ebene liegen. Damit zwischen einer Elektrode und einer Membran ein Halbzellinnenraum ausgebildet werden kann, können die Membran und die Elektrode beispielsweise an ihren nach außen gewandten Seitenflächen fluiddicht miteinander verbunden werden. Weiterhin ist es möglich, eine fluiddichte Verbindung zwischen den Randbereichen der Elektrode sowie der Membran, insbesondere der Randbereiche der einander zugewandten Stapelflächen herzustellen. Die fluiddichte Verbindung kann hierbei beispielsweise stoffschlüssig erfolgen. Durch die fluiddichte Verbindung einer Membran und einer Elektrode kann auf einfache Art und Weise ein abgedichteter Halbzellinnenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet sein, ohne dass hierfür extra vorgesehene Bauelemente notwendig sind.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens werden mindestens eine Elektrode und mindestens eine Membran jeweils umlaufend zumindest abschnittsweise fluiddicht mit mindestens einer Seitenplatte verbunden. Die Elektroden und Membranen werden mit mindestens einer Seitenplatte fluiddicht verbunden. Insbesondere werden die Elektroden und Membranen seitlich an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche zumindest abschnittsweise fluiddicht mit mindestens einer Seitenplatte verbunden. Beispielsweise werden bei Elektroden und Membranen mit rechteckiger Grundfläche die vier nach außen weisenden Seitenflächen der Elektroden und der Membranen jeweils mit einer Seitenplatte verbunden, so dass ein Zellstapel von vier seitlich angebrachten Seitenplatten fluiddicht abgeschlossen ist. Weiterhin können die Membran und die Elektrode an ihren Stapelflächen, insbesondere an den einander zugewandten Stapelflächen fluiddicht mit mindestens einer Seitenplatte verbunden werden. Hierbei können die Randbereiche der einander zugewandten Seiten der Stapelflächen fluiddicht, beispielsweise stoffschlüssig mit der Seitenplatte verbunden werden. Durch die fluiddichte Verbindung einer Membran, einer Elektrode und den Seitenplatten ist auf einfache Art und Weise die Ausbildung eines Halbzellinnenraumes zur Aufnahme eines Elektrolyten ermöglicht.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens weist mindestens ein Halbzellinnenraum mindestens eine Elektrolytzuführung und/oder mindestens eine Elektrolytzuführung auf und mindestens eine Elektrolytabführung und/oder mindestens eine Elektrolytabführung wird durch mindestens eine Öffnung in mindestens einer zwischen einer mindestens einer Membran und mindestens einer Elektrode ausgebildeten fluiddichten Verbindung ausgebildet. Zur Ausbildung eines Halbzellinnenraumes sind eine Elektrode und eine Membran umlaufend fluiddicht miteinander verbunden. Zwischen den Stapelflächen der Elektrode, der Membran sowie der fluiddichten Verbindung ist somit der Halbzellinnenraum zur Aufnahme des Elektrolyten ausgebildet. Um eine Zuführung und Abführung des Elektrolyten in und aus dem Halbzellinnenraum zu ermöglichen, wird in die fluiddichte Verbindung eine Elektrolytzuführung und/oder eine Elektrolytabführung, insbesondere in Form eines Hohlraumes, eingebracht. Beispielsweise kann die Elektrolytzuführung oder die Elektrolytabführung durch ein spanendes Verfahren, beispielsweise durch Bohren, Fräsen oder ähnliches in die fluiddichte Verbindung eingebracht werden. Bei einer Herstellung der fluiddichten Verbindung durch ein Klebematerial können auch Platzhalter vor dem Aufbringen des Klebematerials an den Positionen angeordnet werden, an denen sich später die Hohlräume zur Ausbildung der Elektrolytzuführung und/oder der Elektrolytabführung befinden sollen. Die Platzhalter können zum Freigeben des Hohlraumes entfernt werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens weist jede Halbzelle mindestens einen Zellrahmen auf, mindestens ein Halbzellinnenraum ist zumindest abschnittsweise durch mindestens einen Zellrahmen ausgebildet und mindestens ein Zellrahmen, mindestens eine Membran und mindestens eine Elektrode werden gestapelt angeordnet. Die Zellinnenräume der Halbzellen eines Zellstapels können abschnittsweise durch Zellrahmen sowie die Stapelflächen der Membran und der Elektrode ausgebildet sein. Insbesondere können zur Herstellung einer Halbzelle eine Elektrode, ein Zellrahmen und eine Membran gestapelt angeordnet werden, wobei die fluiddichte Abdichtung eines Halbzellinnenraumes durch die fluiddichte Verbindung der Elektrode und der Membran erfolgen kann.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens werden mindestens eine Elektrode, mindestens eine Membran und mindestens ein Zellrahmen jeweils seitlich an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche zumindest abschnittsweise fluiddicht verbunden. Zur Herstellung einer fluiddichten Abdichtung des Halbzellinnenraumes werden eine Elektrode, eine Membran und ein Zellrahmen an ihren seitlich nach außen gewandten Seitenflächen fluiddicht verbunden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens werden mindestens eine Elektrode, mindestens eine Membran und mindestens ein Zellrahmen jeweils seitlich an mindestens einer nach außen gewandten Seitenfläche zumindest abschnittsweise fluiddicht mit mindestens einer Seitenplatte verbunden. Die Elektroden, die Membranen und die Zellrahmen eines Zellstapels können seitlich mit ihren nach außen gewandten Seitenflächen fluiddicht mit mindestens einer Seitenplatte verbunden werden. Vorzugsweise werden bei Membranen und Elektroden mit rechteckigen Grundflächen den jeweils vier Seitenflächen jeweils eine Seitenplatte zugeordnet, so dass ein Zellstapel seitlich von vier Seitenplatten umgeben ist. Durch die Verbindung der Bauteile mittels Seitenplatten ist eine sehr kosten- und zeiteffiziente Möglichkeit einer fluiddichten Verbindung geschaffen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens eine fluiddichte Verbindung durch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Durch die Nutzung einer stoffschlüssigen Verbindung, wie beispielsweise Verschweißen oder Verkleben, kann eine sichere und schnell herzustellende fluiddichte Verbindung gewährleistet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird mindestens eine fluiddichte Verbindung durch eine Klebeverbindung hergestellt. Eine fluiddichte Verbindung der Membranen mit den Elektroden beziehungsweise eine Verbindung der Bauteile mit einer Seitenplatte kann auf einfache Art und Weise durch eine Klebeverbindung erfolgen. Insbesondere bei der Verwendung von Seitenplatten ist eine Verbindung mit den Seitenflächen der Bauteile des Zellstapels durch das Auftragen eines Klebematerials auf die Innenseiten der Seitenflächen ausführbar.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird mindestens eine fluiddichte Verbindung durch eine Schweißverbindung hergestellt. Zum Herstellen einer fluiddichten Verbindung, beispielsweise der Seitenflächen der Membranen und der Elektroden, können Schweißverbindungen eingesetzt werden. Durch die Herstellung von fluiddichten Verbindungen durch Schweißverbindungen sind besonders sichere und präzise auszuführende Verbindungen möglich.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden die gestapelten Zellrahmen und/oder Membranen und/oder Elektroden seitlich deckungsgleich mechanisch abgetragen. Nach dem Stapeln der für einen Zellstapel benötigten Bauteile können diese seitlich mechanisch abgetragen werden, um eine möglichst plane, deckungsgleiche Seitenfläche zu erzeugen. Durch das mechanische Abtragen, beispielsweise durch spanende Verfahren, sind besonders präzise und einfach auszuführende Verbindungen der Seitenflächen der Bauteile ermöglicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
- 1: einen Zellstapel aus Membranen und Elektroden, die fluiddicht miteinander verbunden sind;
- 2: einen Zellstapel mit Öffnungen in den fluiddichten Verbindungen;
- 3: einen Zellstapel aus erfindungsgemäßen Bauelementen in einer geschnittenen Darstellung;
- 4: einen Zellstapel mit durch die Seitenplatten ausgebildeten Elektrolytleitungen;
- 5: einen Zellrahmen in einer geschnittenen Darstellung.
- 6a: Membran und Elektrode mit einer fluiddichten Verbindung zwischen den Stapelflächen;
- 6b: Membran und Elektrode mit einer fluiddichten Verbindung zwischen den Seitenflächen;
- 6c: Membran und Elektrode mit fluiddichter Verbindung der Seitenflächen zu Seitenplatten; und
- 6d: Elektrode und Membran mit fluiddichter Verbindung der Stapelflächen zu Seitenplatten.
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In 1 ist ein Zellstapel 1 bestehend aus Elektroden 2 und Membranen 3 im Querschnitt dargestellt. Eine Elektrode 2 und eine Membran 3 sind zu einer Halbzelle 5 gestapelt, wobei eine Membran 3 und eine Elektrode 2 jeweils zwei Halbzellen 5 zugeordnet sind. Die Halbzellen 5 weisen jeweils einen Halbzellinnenraum 6 auf, wobei ein Halbzellinnenraum 6 durch die Membran 3 und die Elektrode 2 umgeben ist. Ein Halbzellinnenraum 6 ist zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet. Die Elektroden 2 und die Membranen 3 sind fluiddicht miteinander verbunden. Durch die fluiddichte Verbindung 14 der Elektroden 2 und der Membranen 3, ergibt sich ein in sich fluiddichter Aufbau des Zellstapels 1, wobei kein Elektrolyt unbeabsichtigt von einer Halbzelle 5 in eine andere Halbzelle 5 gelangen kann. Um eine Elektrolytzirkulation zu ermöglichen sind Elektrolytzuführungen 8 und Elektrolytabführungen 9 vorgesehen, so dass ein Elektrolyt durch die Halbzellinnenräume 6 geleitet werden kann. Entsprechend sind Durchlassöffnungen 10 in den fluiddichten Verbindungen 14 zwischen den Elektroden 2 und den Membranen 3 ausgebildet, durch die das Elektrolyt hindurchtreten kann. An die Durchlassöffnungen 10 können beispielsweise Elektrolytzuführungsleitungen und Elektrolytabführungsleitungen angeschlossen werden.
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In 2 ist ein Zellstapel 1 bestehend aus Elektroden 2 und Membranen 3, die untereinander durch fluiddichte Verbindungen 14 miteinander verbunden sind, in einer Schnittansicht dargestellt. In den fluiddichten Verbindungen 14 sind Durchlassöffnungen 10 angeordnet, durch die eine Elektrolytzirkulation durch die Halbzellinnenräume 6 ermöglicht ist.
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In 3 ist ein Zellstapel 1 mit Elektroden 2, Membranen 3 und Zellrahmen 4 im Querschnitt dargestellt. Eine Elektrode 2, eine Membran 3 und ein Zellrahmen 4 sind zu einer Halbzelle 5 gestapelt, wobei einer Membran 3 und einer Elektrode 2 jeweils zwei Halbzellen 5 zugeordnet sind. Die Halbzellen 5 weisen jeweils einen Halbzellinnenraum 6 auf, wobei ein Halbzellinnenraum 6 durch die Zellrahmen 4, die Membran 3 und die Elektrode 2 umgeben ist. Ein Halbzellinnenraum 6 ist zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet. Die nach außen gewandten Seitenflächen 15 der Elektroden 2, die Seitenflächen 16 der Membranen 3 und die Seitenflächen 17 der Zellrahmen 4 sind mit Seitenplatten 7 mit einer fluiddichten Verbindung 14 verbunden. Durch die fluiddichte Verbindung 14 der Seitenplatte 7 mit den Bauteilen des Zellstapels 1, also mit den Elektroden 2, den Membranen 3 und den Zellrahmen 4, ergibt sich ein in sich fluiddichter Aufbau des Zellstapels 1, wobei kein Elektrolyt unbeabsichtigt von einer Halbzelle 5 in eine andere Halbzelle 5 gelangen kann. Um eine Elektrolytzirkulation zu ermöglichen, weisen die Zellrahmen 4 Elektrolytzuführungen 8 und Elektrolytabführungen 9 mit Durchlassöffnungen 10 auf, so dass ein Elektrolyt durch die Halbzellinnenräume 6 geleitet werden kann. Entsprechend weisen die Seitenplatten 7 Durchlassöffnungen 10 auf, durch die das Elektrolyt hindurchtreten kann. An die Durchlassöffnungen 10 können beispielsweise Elektrolytzuführungsleitungen 18 und Elektrolytabführungsleitungen 19 angeschlossen werden.
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In 4 ist ein Zellstapel 1 mit Elektroden 2, Membranen 3 und Zellrahmen 4 im Querschnitt dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Elektroden 2, Membranen 3 und die Zellrahmen 4 sind zur Ausbildung von Halbzellinnenräumen 6 mit fluiddichten Verbindungen 14 seitlich umlaufend verbunden. Zur Versorgung der Halbzellinnenräume 6 sind in den Seitenplatten 7 Elektrolytzuführungsleitungen 18 sowie Elektrolytabführungsleitungen 19 vorgesehen. Die Elektrolytleitungen 18, 19 können beispielsweise durch Nuten in den Seitenplatten 7 ausgebildet sein. Durch die Leitungen 18 und 19 kann das Elektrolyt in die Halbzellinnenräume 6 strömen und entsprechend wieder abgeführt werden.
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In 5 ist ein Zellrahmen 4 mit einem Halbzellinnenraum 6 in einer geschnittenen Ansicht dargestellt. Der Halbzellinnenraum 6 ist zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet. Zur Zuleitung und Ausleitung eines Elektrolyten weist der Zellrahmen 4 eine Elektrolytzuführung 8 und eine Elektrolytabführung 9 auf. Die Elektrolytzuführung 8 und die Elektrolytabführung 9 weisen jeweils eine Durchlassöffnung 10 auf, die in jeweils einer nach außen gewandten Seitenfläche des Zellrahmens 4 angeordnet ist. Die Elektrolytzuführung 8 und die Elektrolytabführung 9 weiten sich von den Durchlassöffnungen 10 in Richtung des Halbzellinnenraumes 6 auf. Somit ist ein gleichmäßiges Durchströmen des Halbzellinnenraumes 6 durch einen Elektrolyten ermöglicht.
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In 6a ist eine Elektrode 2 mit einer Stapelfläche 12 und eine Membran 3 mit einer Stapelfläche 13 dargestellt. Die Seitenbereiche der Stapelfläche 13 sowie der Stapelfläche 12 sind durch eine fluiddichte Verbindung 14 miteinander verbunden. Bei der fluiddichten Verbindung 14 kann es sich insbesondere um eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung handeln. Durch die an den Seitenbereichen der Stapelflächen 12 und 13 umlaufend ausgebildete fluiddichte Verbindung 14 und die einander zugewandten Stapelflächen ist ein Halbzellinnenraum 6 zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet.
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In 6b ist eine Elektrode 2 mit Seitenflächen 15 sowie eine Membran 3 mit Seitenflächen 16 dargestellt. Die nach außen gewandten Seitenflächen 15 und 16 sind mit einer fluiddichten Verbindung 14 miteinander verbunden. Durch die fluiddichte Verbindung 14 zwischen der Membran 3 und der Elektrode 2 und die einander zugewandten Stapelflächen 12, 13 ist somit ein Halbzellinnenraum 6 ausgebildet, der zur Aufnahme eines Elektrolyten vorgesehen ist.
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In 6c ist eine Elektrode 2 und eine Membran 3 dargestellt. Die Seitenflächen 15 der Elektrode sowie die Seitenflächen 16 der Membran sind mittels einer fluiddichten Verbindung 14 mit Seitenplatten 7 verbunden. Durch die fluiddichte Verbindung 14 der Elektrode 2 sowie der Membran 3 zu den Seitenplatten 7 ist zwischen der Elektrode 2 und der Membran 3 ein Halbzellinnenraum 6 zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet.
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In 6d ist eine Membran 3 und eine Elektrode 2 dargestellt. Die Elektrode 2 weist in den Randbereichen ihrer Stapelfläche 12 jeweils eine fluiddichte Verbindung 14 zu einer Seitenplatte 7 auf. Ebenso weist die Membran 3 in den Randbereichen ihrer Stapelfläche 13 eine fluiddichte Verbindung 14 zu den Seitenplatten 7 auf. Durch die fluiddichte Verbindung 14 zu den Seitenplatten 7 sowie zudem einander zugewandten Stapelflächen 12, 13 ist ein Halbzellinnenraum 6 zur Aufnahme eines Elektrolyten ausgebildet.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen beziehungsweise beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107516 A1 [0005]
- DE 102015102123 A1 [0005]
- DE 102016004027 A1 [0007]
