DE102022105113A1 - Redox flow battery - Google Patents
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Abstract
Eine Redox-Flow-Batterie (1) umfasst eine Anzahl an Redox-Flow-Zellen (2), welche in Stapelform, in zueinander parallelen Ebenen liegend, angeordnet sind, wobei ein Kanalsystem zur Ver- und Entsorgung der Redox-Flow-Zellen (2) mit Elektrolytlösungen vorgesehen ist. Das Kanalsystem umfasst mindestens einen Kanal-Längsteiler (5, 15), insbesondere in Form eines Rohreinsatzes, welcher mehrere zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme auf die einzelnen Redox-Flow-Zellen (2) aufteilt und eine langgestreckte, insbesondere zylindrische Grundform mit einer Haupterstreckungsrichtung normal zu den Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen (2) liegen, hat.A redox flow battery (1) comprises a number of redox flow cells (2) which are arranged in a stack in parallel planes, with a channel system for supplying and discharging the redox flow cells ( 2) is provided with electrolyte solutions. The channel system comprises at least one longitudinal channel divider (5, 15), in particular in the form of a tube insert, which divides several partial electrolyte streams, which flow at least partially parallel to one another, onto the individual redox flow cells (2) and has an elongated, in particular cylindrical basic shape with a main direction of extension normal to the planes in which the redox flow cells (2) lie.
Description
Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie, welche eine Anzahl an Redox-Flow-Zellen umfasst, die in Stapelform angeordnet sind.The invention relates to a redox flow battery comprising a number of redox flow cells arranged in a stack.
Redox-Flow-Batterien sind Batterien aus elektrochemischen Zellen, die mit durchströmenden Elektrolytlösungen versorgt werden. Die Elektrolytlösungen werden typischerweise in Tanks bereitgestellt. Redox-Flow-Batterien haben damit im Vergleich zu Akkumulatoren den Vorteil, dass die Kapazität von der Leistung entkoppelt ist. Eine Besonderheit von Redox-Flow-Batterien liegt darin, dass Elektrolytlösung durch eine Mehrzahl an Zellen fließt, welche auf unterschiedlichem elektrischem Potential betrieben werden. Hierdurch kann es zu nicht gewünschten Shunt-Strömen kommen. Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Reduzierung solcher Shunt-Ströme beschrieben.Redox flow batteries are batteries made up of electrochemical cells that are supplied with electrolyte solutions flowing through them. The electrolyte solutions are typically provided in tanks. Compared to accumulators, redox flow batteries have the advantage that the capacity is decoupled from the performance. A special feature of redox flow batteries is that the electrolyte solution flows through a number of cells that are operated at different electrical potentials. This can result in undesired shunt currents. Various approaches for reducing such shunt currents are described in the prior art.
Im Fall einer in der
Die
Die
Eine in der
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, fertigungs- und verfahrenstechnisch einfach umsetzbare Möglichkeiten der Reduktion von Shunt-Strömen in Redox-Flow-Batterien anzugeben.The invention is based on the object of specifying options for reducing shunt currents in redox flow batteries which are more advanced than the prior art and which can be implemented easily in terms of production and process engineering.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Redox-Flow-Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Redox-Flow-Batterie umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Anzahl an Redox-Flow-Zellen, welche in Stapelform, in zueinander parallelen Ebenen liegend, angeordnet sind, wobei ein Kanalsystem zur Ver- und Entsorgung der Redox-Flow-Zellen mit Elektrolytlösungen vorgesehen ist.According to the invention, this object is achieved by a redox flow battery having the features of
Das Kanalsystem der anmeldungsgemäßen Redox-Flow-Batterie umfasst mindestens einen Kanal-Längsteiler, welcher mehrere zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme auf einzelne oder Gruppen von Redox-Flow-Zellen aufteilt und eine langgestreckte, zylindrische oder prismenförmige Grundform mit einer Haupterstreckungsrichtung normal zu den Ebenen, in welchen die einen Zellenstapel, das heißt Stack, bildenden Redox-Flow-Zellen liegen, hat.The channel system of the redox flow battery according to the application comprises at least one channel longitudinal divider, which divides several partial electrolyte streams flowing at least partially parallel to one another into individual or groups of redox flow cells and an elongated, cylindrical or prismatic basic shape with a main direction of extension normal to the planes , in which the redox flow cells forming a cell stack, i.e. stack, are located.
In verschiedenen möglichen Ausgestaltungen ist der Kanal-Längsteiler zur Aufteilung eines Elektrolytstroms auf mindestens zwei und maximal zwölf zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme ausgebildet.In various possible configurations, the longitudinal channel divider is designed to divide an electrolyte stream into at least two and at most twelve partial electrolyte streams that flow at least partially parallel to one another.
Gemäß einer ersten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Kanal-Längsteiler um einen Kanaleinsatz, welcher in eine Anordnung mehrerer Zellenrahmen der Redox-Flow-Zellen eingesteckt ist.According to a first possible group of configurations, the longitudinal channel divider is a channel insert which is inserted into an arrangement of a plurality of cell frames of the redox flow cells.
Insbesondere umfasst die Redox-Flow-Batterie eine Mehrzahl solcher Kanaleinsätze. Mit Hilfe des mindestens einen Kanaleinsatzes kann Elektrolytlösung strömungsgünstig den einzelnen Redox-Flow-Zellen zugeführt beziehungsweise von diesen abgeführt werden, wobei durch die Parallelschaltung von Teilströmen innerhalb des Kanaleinsatzes zugleich die Länge elektrischer Pfade maximiert ist, was maßgeblich zu einer Reduzierung von Shunt-Strömen beiträgt. Allgemein wird mit Hilfe des Kanaleinsatzes im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen der elektrische Hauptrohr-Widerstand, welcher zwischen den Abzweigen in die einzelnen Zellen der Redox-Flow-Batterie gegeben ist, gravierend erhöht, ohne signifikante Nachteile hinsichtlich Fertigungsaufwand, Bauraum und hydraulischer Funktion in Kauf nehmen zu müssen. In der Summe bleibt mit dem Kanaleinsatz nahezu der gesamte hydraulische Querschnitt eines ungeteilten Kanals erhalten.In particular, the redox flow battery includes a plurality of such channel inserts. With the aid of the at least one channel insert, electrolyte solution can be fed to or from the individual redox flow cells in a streamlined manner be dissipated, with the parallel connection of partial currents within the channel insert at the same time maximizing the length of electrical paths, which contributes significantly to a reduction of shunt currents. In general, the electrical main pipe resistance, which is given between the branches in the individual cells of the redox flow battery, is significantly increased compared to conventional solutions with the help of the channel insert, without accepting significant disadvantages in terms of production costs, installation space and hydraulic function to have to. All in all, almost the entire hydraulic cross-section of an undivided channel is retained with the channel insert.
Beispielsweise weist der Kanaleinsatz eine mehrgängige Schraubengeometrie auf, insbesondere in Form eines vier-, sechs-, acht- oder zwölfgängigen Gewindes. Einzelne Kanäle sind damit als über die Länge des ursprünglichen Hauptkanals verdrillte Winkelsegmente ausgebildet. Hierbei versorgen alle Winkelsegmente zueinander in Längsrichtung des Zellenstapels versetzte Zellen oder Gruppen von Zellen mit Zu- oder Abläufen für Elektrolyte.For example, the channel insert has a multi-start screw geometry, in particular in the form of a four-, six-, eight- or twelve-start thread. Individual channels are thus designed as twisted angle segments over the length of the original main channel. In this case, all angular segments supply cells or groups of cells that are offset relative to one another in the longitudinal direction of the cell stack with inlets or outlets for electrolytes.
Die Überleitung von Elektrolytlösung zwischen dem Hauptkanal, dessen Strömungsquerschnitt in mehrere zueinander parallele Teilkanäle aufgeteilt ist, und den einzelnen Redox-Flow-Zellen kann auf verschiedene Arten an definierten Stellen von Zellenrahmen der einzelnen Zellen erfolgen. Die Aufteilung des Elektrolytstroms ist hierbei mit komplex geformten oder auch geometrisch sehr einfachen Kanaleinsätzen möglich. Typischerweise befinden sich in den Zellenrahmen Öffnungen mit beispielsweise kreisrundem oder quadratischem Querschnitt, wobei der Hauptkanal durch miteinander fluchtende derartige Öffnungen zumindest abschnittsweise gebildet ist. Die an der Mantelfläche des Hauptkanals befindlichen Überleitungsöffnungen zu den einzelnen Zellen können von Zelle zu Zelle in übereinstimmender oder unterschiedlicher Winkellage um die Mittelachse des Hauptkanals angeordnet sein. Werden beispielsweise die Mittelpunkte sämtlicher Überleitungsöffnungen durch eine Schraubenlinie miteinander verbunden, so kann diese Linie näherungsweise eine Schraubenlinie beschreiben.Electrolyte solution can be transferred between the main channel, the flow cross section of which is divided into a number of parallel sub-channels, and the individual redox flow cells in various ways at defined points on the cell frames of the individual cells. The division of the electrolyte flow is possible with complex shaped or geometrically very simple channel inserts. Typically, there are openings in the cell frames with, for example, a circular or square cross section, with the main channel being formed at least in sections by such openings that are aligned with one another. The transfer openings to the individual cells located on the lateral surface of the main channel can be arranged from cell to cell in the same or different angular position around the central axis of the main channel. If, for example, the centers of all transfer openings are connected to one another by a helical line, this line can approximately describe a helical line.
Möglich sind auch simplere Varianten, in welchen sich Überleitungsöffnungen beispielsweise lediglich an zwei verschiedenen Positionen, beispielsweise in 90 Grad Position beziehungsweise in 180 Grad Position, befinden. Hierbei ist die Null Grad Richtung zum Beispiel als die Längsrichtung eines länglichen, im Wesentlichen quadratischen Zellenrahmens definiert. Im Fall der 90 Grad Position erfolgt die Überleitung somit in Querrichtung des Zellenrahmens. Durch die Anordnung der Überleitungsöffnungen in gegeneinander um die Längsachse des Hauptkanals verdrehten Positionen kann der Kanaleinsatz geometrisch besonders einfach gestaltet werden. Insbesondere kann der Kanaleinsatz gerade, nicht verdrillte Wandungen aufweisen und somit als Spritzgussteil oder im 3D-Druck rationell hergestellt werden.Simpler variants are also possible, in which transfer openings are located, for example, only in two different positions, for example in a 90-degree position or in a 180-degree position. Here, the zero degree direction is defined, for example, as the longitudinal direction of an elongated, substantially square cell frame. In the case of the 90 degree position, the transition thus takes place in the transverse direction of the cell frame. By arranging the transfer openings in positions rotated relative to one another about the longitudinal axis of the main channel, the channel insert can be geometrically designed in a particularly simple manner. In particular, the channel insert can have straight, non-twisted walls and can thus be produced efficiently as an injection molded part or in 3D printing.
Ebenso sind Kanaleinsätze realisierbar, durch welche mehrere zur Längsachse des Kanaleinsatzes, das heißt zu einer Flächennormalen der Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen liegen, schräg gestellte, zueinander parallele Teilkanäle gebildet sind. Likewise, channel inserts can be realized, by means of which several sub-channels are formed which are inclined to the longitudinal axis of the channel insert, ie to a surface normal of the planes in which the redox flow cells lie, and are parallel to one another.
Auch in diesem Fall kommt eine Herstellung aus Kunststoff mittels 3D-Druck in Betracht, wobei die Grundform des Kanaleinsatzes nicht notwendigerweise zylindrisch ist. Hat der Kanaleinsatz die Form eines langgestreckten Prismas, so sind damit Vorteile hinsichtlich eines Einbaus in definierter Winkellage verbunden.In this case, too, production from plastic by means of 3D printing can be considered, with the basic shape of the channel insert not necessarily being cylindrical. If the channel insert is in the form of an elongated prism, this has advantages with regard to installation in a defined angular position.
Eine weitere Alternative zu schraubenförmig verdrillten Kanaleinsätzen stellen Kanaleinsätze dar, die mehrere zur genannten Flächennormalen der Ebenen, in denen die - Zellen der Redox-Flow-Batterie liegen, parallele, das heißt in Axialrichtung verlaufende Abschnitte sowie jeweils hieran anschließende zu einer der Redox-Flow-Zellen hin offene, das heißt an einer der Überleitungsöffnungen mündende Tangentialabschnitte aufweisen. Eine tangentiale Strömung bedeutet in diesem Fall, dass der Elektrolyt in einer zum Zellenrahmen parallelen Ebene strömt, wobei die Strömungsrichtung mit der Längsachse des Hauptkanals und damit auch des Kanaleinsatzes einen rechten Winkel einschließt.Another alternative to helically twisted channel inserts are channel inserts that have several sections parallel to the above-mentioned surface normal of the planes in which the cells of the redox flow battery are located, i.e. running in the axial direction, as well as subsequent sections to one of the redox flow cells have open tangential sections, ie opening out at one of the transfer openings. In this case, a tangential flow means that the electrolyte flows in a plane parallel to the cell frame, with the flow direction forming a right angle with the longitudinal axis of the main channel and thus also of the channel insert.
Gemäß einer zweiten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen ist der Kanal-Längsteiler durch aufeinander gestapelte Zellenrahmen der Redox-Flow-Zellen des Stacks gebildet, wobei jeweils nur eine Teilmenge von durch den Kanal-Längsteiler voneinander getrennten Kanälen an jede Redox-Flow-Zelle angeschlossen ist.According to a second possible group of configurations, the longitudinal channel divider is formed by stacked cell frames of the redox flow cells of the stack, with only a subset of channels separated from one another by the longitudinal channel divider being connected to each redox flow cell.
In hinsichtlich einer flexiblen Fertigung besonders vorteilhaften Gestaltung sind die Zellenrahmen derart ausgebildet, dass sie jeweils wahlweise in einer von mehreren möglichen Orientierungen, insbesondere in um 180° gegeneinander verdrehten Orientierungen, im Redox-Flow-Zellen-Stapel montierbar sind, wobei in den verschiedenen Orientierungen unterschiedliche, den Zellenstapel durchdringende Kanäle an die betreffende, den Zellenrahmen aufweisende Redox-Flow-Zelle angeschlossen sind.In a design that is particularly advantageous in terms of flexible production, the cell frames are designed in such a way that they can be mounted in the redox flow cell stack in one of several possible orientations, in particular in orientations rotated by 180° with respect to one another different channels penetrating the cell stack are connected to the relevant redox flow cell having the cell frame.
Unabhängig von der genauen Geometrie des Kanal-Längsteilers oder einer Anzahl an Einsätzen, die die entsprechende Funktion, das heißt Funktion eines Kanaleinsatzes, übernehmen, können Gestaltungen von Zellenrahmen von Vorteil sein, bei welchen nicht nur vier Öffnungen vorhanden sind, die je nach Bedarf für Anolyt-Zulauf, Anolyt-Ablauf, Katholyt-Zulauf und Katholyt-Ablauf nutzbar sind. Vielmehr können derartige Öffnungen, die Überleitungen vom Hauptkanal in die Zellen erlauben, mehrfach, insbesondere doppelt oder dreifach, vorhanden sein.Regardless of the exact geometry of the channel longitudinal divider or a number of inserts that have the appropriate function, i.e. function a channel insert, designs of cell frames can be advantageous in which not only four openings are present, which can be used for anolyte inflow, anolyte outflow, catholyte inflow and catholyte outflow as required. Rather, such openings, which allow transfers from the main channel into the cells, can be present multiple times, in particular double or triple.
Kontaktiert werden von den zahlreichen Öffnungen im Zellenrahmen auf einer Elektrodenseite lediglich zwei Stück, nämlich eine Öffnung für den Elektrolyt-Zulauf und eine Öffnung für den Elektrolyt-Ablauf, während die anderen Öffnungen keine hydraulische Funktion auf dieser Elektrodenseite haben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass damit ein Gleichteilekonzept realisierbar ist, das den Fertigungsaufwand signifikant reduziert. Dies gilt insbesondere in Fällen in denen Zellenrahmen punkt- oder rotationssymmetrisch gestaltet sind. Die Auswahl der geeigneten Öffnungen jeder Zelle kann beispielsweise erfolgen, indem der gesamte Kanaleinsatz oder eine einzelne Einsatzkomponente in die passende Winkelstellung gebracht wird. Durch die nicht benötigten, das heißt toten Überleitungen in den Zellenrahmen kann die Aktivfläche der Redox-Flow-Zellen etwas verkleinert sein, was in Kauf zu nehmen ist.Of the numerous openings in the cell frame, only two are contacted on one electrode side, namely an opening for the electrolyte inlet and an opening for the electrolyte outlet, while the other openings have no hydraulic function on this electrode side. The advantage of this configuration lies in the fact that a common parts concept can be implemented that significantly reduces the manufacturing effort. This applies in particular in cases where cell frames are point- or rotationally symmetrical. The selection of the appropriate openings of each cell can be done, for example, by angling the entire channel insert or an individual insert component. The active area of the redox flow cells can be somewhat reduced due to the unnecessary, ie dead, transitions in the cell frame, which has to be accepted.
Sofern es sich bei dem Kanal-Längsteiler entsprechend der ersten Gruppe an Ausgestaltungen um einen im Wesentlichen zylindrischen, bolzen- oder rohrförmigen Kanaleinsatz handelt, kann sich gemäß einer möglichen Weiterbildung an einen zylindrischen, die zueinander parallelen, optional verdrillten Teilkanäle bildenden Hauptkörper des Kanaleinsatzes eine Abschlussplatte in der Art eines Deckels oder Schraubenkopfes mit im Vergleich zum Hauptkörper vergrößertem Durchmesser anschließen. In dieser Abschlussplatte kann mindestens eine zur Aufnahme einer Dichtung vorgesehene Nut ausgebildet sein.If the longitudinal channel divider according to the first group of configurations is a substantially cylindrical, bolt-shaped or tubular channel insert, according to a possible development, a cylindrical main body of the channel insert that forms the mutually parallel, optionally twisted sub-channels can have an end plate in the manner of a cap or screw head with an enlarged diameter compared to the main body. At least one groove provided for receiving a seal can be formed in this closing plate.
Bei dem Kanaleinsatz der Redox-Flow-Batterie handelt es sich insbesondere um ein nichtleitendes, gegenüber dem Elektrolyten inertes Bauteil aus Kunststoff, Keramik oder getränkten Fasermatten. Entsprechende Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen sind auch für die Zellenrahmen, welche zugleich als Kanal-Längsteiler fungieren können, verwendbar.The channel insert of the redox flow battery is, in particular, a non-conductive component made of plastic, ceramic or impregnated fiber mats that is inert to the electrolyte. Corresponding materials or combinations of materials can also be used for the cell frames, which can also act as channel longitudinal dividers.
Die Wandungen, welche die einzelnen durch den Kanal-Längsteiler, insbesondere Kanaleinsatz, gebildeten Teilkanäle voneinander trennen, weisen beispielsweise eine Wandstärke im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm auf. Eine Grundelastizität des Kunststoffs sorgt dafür, dass sich der Kanaleinsatz von innen ohne Beschädigung an die Kanalwand anlegen kann. Optional ist der im Querschnitt sternförmige, insbesondere vier- bis zwölfstrahlige Hauptkörper des Kanaleinsatzes von einem Außenring mit Löchern oder sonstigen Öffnungen umgeben. Das Material des Außenrings kann insbesondere im Hinblick auf die Dichtfunktion, die dieser zu übernehmen hat, ausgewählt werden. In analoger Weise können dichtende Leisten, die die Abschlüsse der einzelnen Flügel des mehrstrahligen Kanaleinsatzes bilden, aus einem anderen Material als die restlichen Abschnitte der Flügel gebildet sein. Ebenso kann der Werkstoff an den stirnseitigen Enden des Kanaleinsatzes von dem Material abweichen, aus dem der Mittelbereich des Kanaleinsatzes gefertigt ist.The walls which separate the individual sub-channels formed by the longitudinal channel divider, in particular the channel insert, have a wall thickness in the range from 0.2 mm to 4 mm, for example. The basic elasticity of the plastic ensures that the duct insert can rest against the duct wall from the inside without being damaged. Optionally, the main body of the channel insert, which is star-shaped in cross-section and in particular has four to twelve rays, is surrounded by an outer ring with holes or other openings. The material of the outer ring can be selected in particular with regard to the sealing function that it has to assume. In an analogous manner, sealing strips which form the ends of the individual wings of the multi-ray channel insert can be made of a different material than the remaining sections of the wings. Likewise, the material at the front ends of the channel insert can deviate from the material from which the middle area of the channel insert is made.
In mehrteiliger Ausgestaltung des Kanaleinsatzes können einzelne Teile dieses Einsatzes in dessen Axialrichtung hintereinander angeordnet und/oder Teile ineinander geschachtelt sein. Eine Ineinanderschachtelung kann insbesondere bedeuten, dass ein Innenteil der Kanaleinsatzes in einer rohrförmigen, an den passenden Stellen durchbrochenen Hülle drehbar ist, womit eine Verstellmöglichkeit gegeben ist. Durch die Einstellung der passenden Winkelstellung des Innenteils können gleichartige Kanaleinsätze an unterschiedlichen Stellen des Zellenstapels verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, das Innenteil im Zuge der Fertigung des Kanaleinsatzes fest, insbesondere formschlüssig, mit der Hülle zu verbinden, wobei durch einheitliche Grundformen von Innenteil und Hülle der Aufwand, was Werkzeuge, insbesondere bei spritzgusstechnischer Fertigung, betrifft, minimiert ist.In a multi-part configuration of the channel insert, individual parts of this insert can be arranged one behind the other in its axial direction and/or parts can be nested in one another. Nesting can mean, in particular, that an inner part of the channel insert can be rotated in a tubular sleeve that is perforated at the appropriate points, which means that an adjustment option is provided. By setting the appropriate angular position of the inner part, the same type of channel inserts can be used at different points in the cell stack. It is also conceivable to connect the inner part firmly, in particular in a form-fitting manner, to the shell during the course of the production of the channel insert, with the effort in terms of tools, in particular in the case of injection molding production, being minimized by the uniform basic shapes of the inner part and shell.
Der Durchmesser des Kanaleinsatzes beträgt beispielsweise 20 mm bis 100 mm, insbesondere 30 mm bis 50 mm. Sofern der Kanaleinsatz eine Schraubenform aufweist, beträgt die Steigung beispielsweise lediglich 10 mm ± 2 mm. Mit einer derart geringen Steigung können benachbarte Zellen des Zellenstapels stets an ein anders Kanalsegment des Einsatzes angeschlossen sein. Im Fall größerer Gewindesteigungen, beispielsweise einer Steigung im Bereich von 50 mm bis 500 mm, kann über die gesamte in Normalrichtung der plattenförmigen Zellen zu messende Länge des Zellenstapels zum Beispiel lediglich eine einzige oder zwei Umdrehungen vorliegen. In solchen Fällen werden typischerweise mehrere Zellen gruppenweise jeweils an denselben Teilkanal angeschlossen. Beispielsweise sind hierbei jeweils acht oder 20 Zellen zu einer Gruppe an Redox-Flow-Zellen zusammengefasst. Dies gilt analog auch für Ausführungsformen, in welchen die Funktion der Kanalteilung durch die gestapelten Zellenrahmen übernommen wird.The diameter of the channel insert is, for example, 20 mm to 100 mm, in particular 30 mm to 50 mm. If the channel insert has a helical shape, the pitch is only 10 mm ± 2 mm, for example. With such a small gradient, neighboring cells of the cell stack can always be connected to a different channel segment of the insert. In the case of larger thread pitches, for example a pitch in the range from 50 mm to 500 mm, there can be only a single or two revolutions over the entire length of the cell stack to be measured in the normal direction of the plate-shaped cells. In such cases, several cells are typically connected in groups to the same sub-channel. For example, eight or 20 cells are combined to form a group of redox flow cells. This also applies analogously to embodiments in which the function of channel division is taken over by the stacked cell frames.
Allgemein kann es sich bei dem Kanal-Längsteiler, insbesondere in Form eines langgestreckten Kanaleinsatzes, das heißt Rohreinsatzes, um eine ein- oder mehrteilige Komponente der Redox-Flow-Batterie handeln, wobei in jedem Fall elektrische Shunt-Ströme dadurch reduziert sind, dass durch die hydraulische Aufteilung von Elektrolyt führenden Leitungen in zueinander parallele Teilkanäle „Umwege“ für den elektrischen Strom geschaffen sind. Diese „Umwege“ sind dank des Kanal-Längsteilers ohne nennenswerten zusätzlichen Bauraumbedarf realisiert.In general, the channel longitudinal divider, in particular in the form of an elongated channel insert, i.e. pipe insert, be a one-part or multi-part component of the redox flow battery, in which case electrical shunt currents are reduced in that the hydraulic splitting of electrolyte-carrying lines into mutually parallel partial channels "detours" are created for the electrical current. Thanks to the longitudinal channel divider, these “detours” can be implemented without requiring any additional installation space worth mentioning.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 eine Redox-Flow-Batterie in stark vereinfachter Darstellung, -
2 einen Kanaleinsatz der Redox-Flow-Batterie nach 1 in perspektivischer Ansicht, -
3 bis 5 den Kanaleinsatz nach 2 in weiteren Ansichten, -
6 ein Detail eines abgewandelten Kanaleinsatzes für eine Redox-Flow-Batterie, -
7 einen zweiteiligen Kanaleinsatz, -
8 einen Kanaleinsatz mit angeformter Abschlussplatte, -
9 den Kanaleinsatz nach 8 in einer Schnittdarstellung, -
10 und 11 weitere Kanaleinsätze mit Abschlussplatte, -
12 einen für die Verwendung in einer Redox-Flow-Batterie geeigneten Kanaleinsatz mit unterschiedlich geformten Teilkanälen, -
13 in einem Diagramm Verlustleistungen in verschiedenen Redox-Flow-Batterien, -
14 einen gegenüber denAusführungsbeispielen nach den 2 bis 11 abgewandelten Kanaleinsatz für eine Redox-Flow-Batterie in schematisierter Darstellung, -
15 einen weiteren Kanaleinsatz in schematisierter Darstellung, -
16 in geschnittener Darstellung einen Kanaleinsatz mit einem zentralen Strömungskanal, -
17 und18 inDarstellungen analog 16 mehrteilige Kanaleinsätze für Redox-Flow-Batterien, -
19 und 20 schematisierte Ausschnitte von Redox-Flow-Batterien mit verstellbaren Kanaleinsätzen, -
21 bis26 verschiedene Flussplattenanordnungen von Redox-Flow-Batterien.
-
1 a redox flow battery in a highly simplified representation, -
2 a channel use of theredox flow battery 1 in perspective view, -
3 until5 thechannel use 2 in further views, -
6 a detail of a modified channel insert for a redox flow battery, -
7 a two-part channel insert, -
8th a channel insert with a molded end plate, -
9 the channel use8th in a sectional view, -
10 and11 additional trunking inserts with end plate, -
12 a channel insert with differently shaped sub-channels suitable for use in a redox flow battery, -
13 in a diagram power losses in different redox flow batteries, -
14 one compared to the embodiments according to2 until11 modified channel insert for a redox flow battery in a schematic representation, -
15 another channel insert in a schematic representation, -
16 a sectional representation of a channel insert with a central flow channel, -
17 and18 analogous inrepresentations 16 multi-part channel inserts for redox flow batteries, -
19 and20 Schematic sections of redox flow batteries with adjustable channel inserts, -
21 until26 different flow plate arrangements of redox flow batteries.
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are identified by the same reference symbols in all figures.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Redox-Flow-Batterie, das heißt Durchflussbatterie, welche sich beispielsweise in einem Kraftfahrzeug befindet oder Teil einer stationären Anlage ist, umfasst eine Vielzahl an Redox-Flow-Zellen 2, welche in Stapelform angeordnet sind, das heißt einen Stack 3 bilden. Bestandteile der einzelnen Redox-Flow-Zellen 2 sind unter anderem Zellenrahmen 4. Die Zellenrahmen 4 sind, ebenso wie die Redox-Flow-Zellen 2 insgesamt, in zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die einzelnen Redox-Flow-Zellen 2 werden aus nicht dargestellten Tanks mit Elektrolytlösung, das heißt mit Anolyt- und Katholytlösung versorgt. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Redox-Flow-Batterie 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.A redox flow battery marked overall with the
Die Elektrolytlösungen, mit welchen die Redox-Flow-Zellen 2 versorgt werden, fließen in den Ausführungsbeispielen durch Kanal-Längsteiler 5, 15, welche entweder als gesonderte Bauteile (
Durch den Kanal-Längsteiler 5, 15, insbesondere in Form des Kanaleinsatzes 5, sind mehrere Teilkanäle K1 bis K8 gebildet, welche einerseits an einen der Elektrolyttanks des Redox-Flow-Systems und andererseits an eine der Redox-Flow-Zellen 2 angeschlossen sind. Bei dem Kanaleinsatz 5 kann es sich um ein einteiliges (
Unabhängig von der Ein- oder Mehrteiligkeit des Kanaleinsatzes 5 kann durch diesen eine Schraubengeometrie 6, das heißt die Form eines Gewindes, ausgebildet sein. In diesen Fällen handelt es sich immer um ein mehrgängiges, das heißt mindestens zweigängiges Gewinde. Die einzelnen Gewindegänge, das heißt Teilkanäle K1 bis K8, sind durch Wandungen 7 voneinander getrennt. In den Ausführungsbeispielen weisen die Wandungen 7 eine Wandstärke im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm auf. Die Wandungen 7 sind an einen zentralen Kern 8 angeformt, der eine zylindrische Grundform hat und entweder massiv (
Derjenige Abschnitt des Kanaleinsatzes 5, in welchem die Teilkanäle K1 bis K8 ausgebildet sind, wird als Hauptabschnitt 10 des Kanaleinsatzes 5 bezeichnet. Die Funktionsfähigkeit des Kanaleinsatzes 5 ist bereits durch den Hauptabschnitt 10, welcher auch als Hauptkörper bezeichnet wird, gegeben. Der Hauptkörper 10 kann durch eine stirnseitige Abschlussplatte 11 in der Art eines Schraubenkopfes abgeschlossen sein (
In den Fällen der
Im Ausführungsbeispiel nach
Die Aufteilung des Elektrolytstroms in mehrere Teilströme, welche durch die Teilkanäle K1 bis K8 vorgegeben sind, sorgt dafür, dass die Länge elektrischer Pfade, in welchen sich innerhalb der Redox-Flow-Batterie 1 Shunt-Ströme ausbilden können, maximiert wird. In diesem Zusammenhang wird auf
Die als Kennlinien KL1, KL2, KL3 bezeichneten Kurven zeigen die Auswirkungen unterschiedlicher Arten der Gruppierung von Zellen 2. In allen Fällen ist mit PVZ die Verlustleistung pro Redox-Flow-Zelle 2 (in %) angegeben. Tendenziell wird die Verlustleistung PVZ umso größer, je größer der Stack 3 ist, wobei bei Stacks 3, die aus nicht mehr als ca. 20 Redox-Flow-Zellen 2 gebildet sind, lediglich ein leichter Anstieg der Verlustleistung PVZ mit zunehmender Stackgröße zu beobachten ist.The curves designated as characteristic curves KL1, KL2, KL3 show the effects of different types of grouping of
Im Fall der obersten, gestrichelten Kurve, das heißt der Kennlinie KL1, ist keinerlei Gruppierung von Redox-Flow-Zellen 2 gegeben. Dies bedeutet, dass die Elektrolyte nacheinander durch alle Zellen 2 strömen. Wie aus
Die mittlere, in
Die unterste, strichpunktierte Kurve in
Die
Die Trennplatten 15 stellen strömungstechnisch Wandungen 7 des Kanaleinsatzes 5 oder Fortsetzung solcher Wandungen in Strömungsrichtung ZR dar. Optional sind die Wandungen 7, wie beispielhaft aus
Die
Im ersten Achtel des Stacks 3, bezogen auf dessen Längsrichtung, das heißt Normalrichtung der Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen 2 angeordnet sind, wird die in
Durch mögliche Punktsymmetrien (siehe zum Beispiel
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Redox-Flow-BatterieRedox flow battery
- 22
- Redox-Flow-ZelleRedox flow cell
- 33
- Stackstacks
- 44
- Zellenrahmencell frame
- 55
- Kanal-Längsteiler, KanaleinsatzDuct longitudinal divider, duct insert
- 66
- Schraubengeometriescrew geometry
- 77
- Wandungwall
- 88th
- Kerncore
- 99
- Strömungskanalflow channel
- 1010
- Hauptkörpermain body
- 1111
- Abschlussplatteend plate
- 1212
- Axialabschnittaxial section
- 1313
- Tangentialabschnitttangential section
- 1414
- Nut in der AbschlussplatteGroove in the end plate
- 1515
- Kanal-Längsteiler, TrennplatteDuct longitudinal divider, partition plate
- 1616
- Verbreiterungwidening
- 1717
- Nutgroove
- 1818
- Hauptkanalmain channel
- 1919
- Mäanderkanal meander channel
- PVZPVZ
- Verlustleistungdissipation
- K1 bis K8K1 to K8
- Teilkanälesub-channels
- KL1 bis KL3KL1 to KL3
- Kennliniecurve
- nZna
- Anzahl an Redox-Flow-ZellenNumber of redox flow cells
- ZRZR
- Zuflussrichtunginflow direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 3532696 C1 [0008]DE 3532696 C1 [0008]
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Also Published As
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WO2023165650A1 (en) | 2023-09-07 |
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