DE102020128060A1 - Redox flow cell and process for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Eine Redox-Flow-Zelle (1) wird hergestellt, indem ein Kunststoffrahmen (2), Elektroden (3, 4), sowie eine Membran (5) im 3D-Druck erzeugt werden. Zusätzlich werden metallische Leiter (6, 7), welche an die Elektroden (3, 4) angeschlossen sind und den Kunststoffrahmen (2) durchziehen, im 3D-Druck erzeugt. Die Elektroden (3, 4) erhalten im Querschnitt gesehen eine gezahnte Struktur.A redox flow cell (1) is produced by 3D printing a plastic frame (2), electrodes (3, 4) and a membrane (5). In addition, metallic conductors (6, 7), which are connected to the electrodes (3, 4) and run through the plastic frame (2), are produced in 3D printing. The electrodes (3, 4) have a toothed structure when viewed in cross section.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Redox-Flow-Zelle, welche einen Kunststoffrahmen als Durchflussrahmen aufweist, wobei in dem Durchflussrahmen Elektroden sowie eine zwei Halbzellen voneinander trennende Membran angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Redox-Flow-Zelle, welche als 3D-Druckteile ausgebildete Komponenten umfasst.The invention relates to a method for producing a redox flow cell which has a plastic frame as a flow frame, electrodes and a membrane separating two half cells from one another being arranged in the flow frame. The invention also relates to a redox flow cell which comprises components designed as 3D printed parts.
Redox-Flow-Zellen sind Bausteine von Redox-Flow-Batterien, die auch als Redox-Flussbatterien bezeichnet werden. In einer Redox-Flussbatterie zirkulieren energiespeichernde Elektrolyte in zwei getrennten Kreisläufen. Die genannten Kunststoffrahmen bilden Abschnitte dieser Kreisläufe. Durch die Membran hindurch, welche in dem Kunststoffrahmen angeordnet ist, erfolgt ein Ionenaustausch.Redox flow cells are the building blocks of redox flow batteries, which are also known as redox flow batteries. Energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits in a redox flow battery. The plastic frames mentioned form sections of these circuits. An ion exchange takes place through the membrane, which is arranged in the plastic frame.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Redox-Flow-Zelle ist aus der
Weitere Bauformen von Redox-Flussbatterien sind zum Beispiel in den Dokumenten
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Redox-Flow-Zelle gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln, wobei auch unter Bedingungen der Serienfertigung eine besonders hohe Prozesssicherheit gegeben sein soll.The invention is based on the object of further developing a redox flow cell compared to the prior art mentioned, in particular under manufacturing aspects, whereby a particularly high process reliability should also be provided under the conditions of series production.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Redox-Flow-Zelle gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine Redox-Flow-Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung, das heißt der Redox-Flow-Zelle, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a method for producing a redox flow cell according to claim 1. The object is also achieved by a redox flow cell with the features of
Die Redox-Flow-Zelle wird hergestellt, indem sowohl ein Kunststoffrahmen, welcher als Durchflussrahmen fungiert, als auch Elektroden, eine Membran und metallische Leiter, die dem elektrischen Anschluss der Redox-Flow-Zelle dienen, im 3D-Druck-Verfahren erzeugt werden. Im Rahmen des Herstellungsverfahrens wird somit zwischen der additiven Fertigung nichtmetallischer Komponenten, das heißt zumindest des Kunststoffrahmens und der Membran, und der ebenfalls additiven Fertigung metallischer Komponenten gewechselt. Vorzugsweise werden auch die beiden Elektroden aus einem nichtmetallischen Werkstoff, nämlich einem elektrisch leitfähigen Polymer, hergestellt.The redox flow cell is produced in that both a plastic frame, which acts as a flow frame, as well as electrodes, a membrane and metallic conductors, which are used for the electrical connection of the redox flow cell, are produced in a 3D printing process. As part of the manufacturing process, a switch is made between the additive manufacturing of non-metallic components, that is to say at least the plastic frame and the membrane, and the likewise additive manufacturing of metallic components. The two electrodes are preferably also made from a non-metallic material, namely an electrically conductive polymer.
Insgesamt werden damit auf rationelle, zuverlässige Weise stoffschlüssige Verbindungen zwischen metallischen und nichtmetallischen Komponenten hergestellt. Zugleich wird auf einfache Weise für die Dichtheit der Redox-Flow-Zelle, das heißt den dichten Einschluss der Elektrolyte in den durch den Durchflussrahmen gebildeten Abschnitten der jeweiligen Flüssigkeitskreisläufe, gesorgt.Overall, material connections between metallic and non-metallic components are thus produced in a rational, reliable manner. At the same time, the tightness of the redox flow cell, that is to say the tight enclosure of the electrolytes in the sections of the respective fluid circuits formed by the flow frame, is ensured in a simple manner.
Die Verbindungen der elektrischen Leiter, die als Anschlussleitungen der Redox-Flow-Zelle vorgesehen sind, mit den vorzugsweise aus Polymermaterialien gefertigten Elektroden stellen elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindungen dar.The connections of the electrical conductors, which are provided as connecting lines of the redox flow cell, with the electrodes, which are preferably made of polymer materials, represent electrically conductive, material connections.
Zugleich sind die metallischen Leiter stoffschlüssig an den Kunststoffrahmen angebunden, wobei an den entsprechenden Stellen aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Kunststoffrahmens keine elektrisch leitenden Kontakte gebildet sind. In entsprechender Weise ist der Anschluss der Membran an den Kunststoffrahmen stoffschlüssig und flüssigkeitsdicht ausgebildet, ohne eine elektrische Verbindung darzustellen. In an sich bekannter Weise stellt die Membran ein semipermeables, insbesondere für Protonen durchlässiges Bauteil dar.At the same time, the metallic conductors are firmly bonded to the plastic frame, with no electrically conductive contacts being formed at the corresponding points due to the electrically insulating properties of the plastic frame. In a corresponding manner, the connection of the membrane to the plastic frame is made cohesive and liquid-tight without representing an electrical connection. In a manner known per se, the membrane is a semipermeable component, in particular a component that is permeable to protons.
Zur elektrischen Verbindung der metallischen Leiter mit den ebenfalls elektrisch leitfähigen, jedoch aus einem anderen Material gefertigten Elektroden weist jeder metallische Leiter in bevorzugter Ausgestaltung einen direkt an die zugehörige Elektrode anschließenden, im Vergleich zum übrigen Leiter verbreiterten Anschlussabschnitt auf. Die metallischen Leiter sind beispielsweise als gedruckte Leiterbahnen ausgebildet. Grundsätzlich können die im 3D-Druck gefertigten metallischen Leiter einen beliebigen Querschnitt, auch einen kreisrunden Querschnitt, aufweisen.For the electrical connection of the metallic conductors to the electrodes, which are also electrically conductive but made of a different material, each metallic conductor in a preferred embodiment has a connection section that is directly connected to the associated electrode and is wider than the rest of the conductor. The metallic conductors are designed, for example, as printed conductor tracks. In principle, the metallic conductors produced in 3D printing can have any cross-section, including a circular cross-section.
In allen Fällen sind die metallischen Leiter, welcher den Anschluss eines elektrischen Verbrauchers an die Redox-Flow-Zelle ermöglichen, in bevorzugter Ausgestaltung nicht zerstörungsfrei aus dem Kunststoffrahmen, in welchen sie eingebettet sind, entfernbar. Insbesondere in Längsrichtung der Leiter sind diese flüssigkeitsdicht in den Kunststoffrahmen eingebettet, wobei die Dichtheit ohne zusätzliche Komponenten, etwa Dichtringe, gegeben ist.In all cases, the metallic conductors that connect an electrical Allow consumers to the redox flow cell, in a preferred embodiment, not non-destructively removable from the plastic frame in which they are embedded. In particular in the longitudinal direction of the conductors, these are embedded in a liquid-tight manner in the plastic frame, the tightness being provided without additional components, such as sealing rings.
Die Elektroden der Redox-Flow-Zelle weisen gemäß einer möglichen Ausgestaltung im Querschnitt eine gezahnte Struktur auf. Die hier vorhandene Zahnung sieht eine regelmäßige oder auch unregelmäßige Ausformung der Elektroden mit Zähnen, Zacken oder Zinken vor. Als Zahn, Zinke oder Zacke wird hier eine jede erhabene geometrische Struktur angesehen, welche makroskopisch gesehen über die Ebene der Membrane hinausragt. Hierdurch wird eine große Elektrodenoberfläche bereitgestellt, wobei der ungehinderte Durchfluss des Elektrolyten durch die Redox-Flow-Zelle möglich bleibt. Die Stärke, das heißt minimale Dicke, einer jeden Elektrode beträgt insbesondere weniger als die Hälfte der Zahnungshöhe und liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 2 mm. Die orthogonal zur Membran gemessene Höhe der Zahnung (= gemessen ab Elektrodenoberfläche bis zur maximalen Höhe eines Zahnes angeordnet auf der jeweiligen Elektrodenoberfläche) liegt insbesondere im Bereich von 1,5 bis 3 mm. Zwischen zwei Zähnen der Zahnung ist eine Zahnlücke gebildet, die zwischen den Zähnen einseitig durch die Elektrodenoberfläche begrenzt ist, wobei eine Breite der Zahnlücke vorzugsweise mehr als die Höhe einer jeden Halbzelle beträgt.According to one possible configuration, the electrodes of the redox flow cell have a toothed structure in cross section. The teeth present here provide for a regular or irregular shape of the electrodes with teeth, prongs or prongs. A tooth, prong or prong is considered here to be any raised geometric structure which, viewed macroscopically, protrudes beyond the plane of the membrane. This provides a large electrode surface, with the electrolyte remaining free to flow through the redox flow cell. The thickness, that is to say the minimum thickness, of each electrode is in particular less than half the tooth height and is preferably in the range from 0.2 to 2 mm. The height of the teeth measured orthogonally to the membrane (= measured from the electrode surface to the maximum height of a tooth arranged on the respective electrode surface) is in particular in the range from 1.5 to 3 mm. A tooth gap is formed between two teeth of the set of teeth, which gap is delimited on one side between the teeth by the electrode surface, a width of the tooth gap preferably being more than the height of each half-cell.
Unabhängig von der Querschnittsgestaltung der Elektroden sowie der gesamten Redox-Flow-Zelle ist durch diese eine Redox-Flow-Batterie aufbaubar, welche allgemein auch als Bipolar-Stack bezeichnet wird.Regardless of the cross-sectional design of the electrodes and the entire redox flow cell, a redox flow battery can be built up by them, which is also generally referred to as a bipolar stack.
Die additive Fertigung der Redox-Flow-Zelle umfasst in vorteilhafter Verfahrensführung drei voneinander unterscheidbare Fertigungsphasen:
- In einer ersten Fertigungsphase wird Kunststoffmaterial durch 3D-Druck verarbeitet, wobei ein unvollständiger Aufbau des Kunststoffrahmens und/oder der Elektroden erfolgt.
- In a first production phase, plastic material is processed by 3D printing, with an incomplete construction of the plastic frame and / or the electrodes.
In einer zweiten Fertigungsphase werden aus einem metallischen Werkstoff die Leiter unter Bildung stoffschlüssiger Verbindungen auf dem in der vorherigen Phase partiell bereits aufgebauten Kunststoffmaterial additiv generiert.In a second production phase, the conductors are generated additively from a metallic material, forming integral connections on the plastic material that was partially built up in the previous phase.
Schließlich wird in einer dritten Fertigungsphase erneut Kunststoffmaterial durch 3D-Druck verarbeitet, wobei stoffschlüssige Verbindungen sowohl zu bereits aufgebautem Kunststoffmaterial als auch zu den metallischen Leitern hergestellt werden.Finally, in a third production phase, plastic material is processed again by 3D printing, with material connections being made both to the plastic material that has already been built up and to the metallic conductors.
Die Membran kann beispielsweise innerhalb der ersten Fertigungsphase oder innerhalb der dritten Fertigungsphase oder in einer gesonderten Phase hergestellt werden. Das Werkstück, das heißt die im Aufbau per 3D-Druck befindliche Redox-Flow-Zelle, kann während sämtlicher Fertigungsphasen in unveränderter Position in einer Fertigungsanlage positioniert bleiben.The membrane can be manufactured, for example, within the first manufacturing phase or within the third manufacturing phase or in a separate phase. The workpiece, i.e. the redox flow cell that is being set up using 3D printing, can remain in an unchanged position in a production system during all production phases.
Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Vergleichsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer Redox-Flow-Zelle in einer vereinfachten Schnittdarstellung, -
2 ein nicht beanspruchtes Vergleichsbeispiel in einer Darstellung analog1 .
-
1 an embodiment of a redox flow cell in a simplified sectional view, -
2 a comparative example not claimed in an analog representation1 .
Die in den beiden Figuren verwendeten Bezugszeichen stimmen, soweit die betreffenden Teile gleich geformt sind oder eine vergleichbare Funktion haben, überein.The reference symbols used in the two figures are the same as long as the parts concerned are shaped identically or have a comparable function.
Eine gemäß der Erfindung gestaltete, in
Ausschließlich im Vergleichsbeispiel nach
Auch für verschiedene Abmessungen der Redox-Flow-Zelle
- Die Höhe der Redox-Flow-Zelle
1 ist mitH bezeichnet. St bezeichnet die quer zur HöheH zu messende Stegbreite desKunststoffrahmens 2 . In demKunststoffrahmen 2 sind durch dieMembran 5 zweiHalbzellen 12 ,13 voneinander getrennt. Die Höhe einerHalbzelle 12 ,13 ist mitH12 bzw.H13 bezeichnet. In dieHalbzellen 12 ,13 ragen Zähne 14 ,15 derElektroden 3 ,4 . Dieorthogonal zur Membran 5 gemessene Höhe derZähne 14 ,15 ist mitHZ bezeichnet.Zwischen zwei Zähnen 14 ist eine Zahnlücke 16 mit einer Breite Bz gebildet.Die Zahnlücke 16 begrenzt eine weitere, nicht dargestellte Halbzelle. Die BreiteBz der Zahnlücke 16 beträgt mehr als die HöheH12 ,H13 einer jeden Halbzelle12 ,13 . Die Stärke, das heißt minimale Dicke, einer jeden Elektrode3 ,4 ist mitSE bezeichnet und beträgt weniger als die Hälfte der Zahnhöhe Hz.
- The height of the redox flow cell
1 is withH designated. St denotes the transverse to the heightH web width to be measured of theplastic frame 2 . In theplastic frame 2 are through themembrane 5 two half-cells12th ,13th separated from each other. The height of a half cell12th ,13th is withH 12 or.H 13 designated. In the half-cells12th ,13th protrude teeth14th ,15th of theelectrodes 3 ,4th . The orthogonal to themembrane 5 measured height of the teeth14th ,15th is withH Z designated. Between two teeth14th is atooth gap 16 formed with a width Bz. Thetooth gap 16 limited one further, not shown half-cell. The width Bz of thetooth gap 16 is more than the heightH 12 ,H 13 of each half-cell12th ,13th . The strength, i.e. minimum thickness, of eachelectrode 3 ,4th is withS E and is less than half the tooth height Hz.
Im Ausführungsbeispiel nach
Innerhalb des gesamten Verfahrens zur Herstellung der Redox-Flow-Zelle
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Redox-Flow-ZelleRedox flow cell
- 22
- KunststoffrahmenPlastic frame
- 33
- Elektrodeelectrode
- 44th
- Elektrodeelectrode
- 55
- Membranmembrane
- 66th
- Leiterladder
- 77th
- Leiterladder
- 88th
- Verbraucherconsumer
- 99
- RahmenteilFrame part
- 1010
- RahmenteilFrame part
- 1111
- RahmenteilFrame part
- 1212th
- HalbzelleHalf cell
- 1313th
- HalbzelleHalf cell
- 1414th
- Zahntooth
- 1515th
- Zahntooth
- 1616
- ZahnlückeTooth gap
- 1717th
- Anschlussabschnitt Connection section
- BZBZ
- Breite der ZahnlückeWidth of the tooth gap
- HH
- Höhe der Redox-Flow-ZelleRedox flow cell height
- H12H12
-
Höhe der Halbzelle 12
Half cell height 12 - H13H13
-
Höhe der Halbzelle
13 Half cell height13th - HZHZ
- Höhe des ZahnsHeight of the tooth
- SESE
- Stärke einer ElektrodeStrength of an electrode
- StSt.
- StegbreiteWeb width
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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