DE102022106048A1 - Flow frame for an electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Flussrahmen (10) für eine elektrochemische Zelle, wobei der Flussrahmen wenigstens einen Elektrodenraum (14) zur Aufnahme einer Elektrode definiert, umfassend wenigstens ein Zuführkanalsystem (16) zur Zuführung von Elektrolyt in den Elektrodenraum, wobei das Zuführkanalsystem einen Fluidanschluss (20) umfasst, welcher über Zuführkanalstrukturen (22) mit dem Elektrodenraum fluidisch verbunden ist, und wenigstens ein Rückführkanalsystem (18) zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraum, wobei das Rückführkanalsystem einen Fluidanschluss (24) umfasst, welcher über Rückführkanalstrukturen (26) mit dem Elektrodenraum fluidisch verbunden ist, wobei die Zuführkanalstrukturen und/oder die Rückführkanalstrukturen eine Mehrzahl von Sekundärkanälen (32) umfassen, welche an separaten Positionen des jeweiligen Fluidanschlusses abgehen und über Einströmbereiche (34) in den Elektrodenraum einmünden.The invention relates to a flow frame (10) for an electrochemical cell, wherein the flow frame defines at least one electrode space (14) for receiving an electrode, comprising at least one supply channel system (16) for supplying electrolyte into the electrode space, the supply channel system having a fluid connection (20 ), which is fluidly connected to the electrode space via feed channel structures (22), and at least one return channel system (18) for returning electrolyte from the electrode space, the return channel system comprising a fluid connection (24), which is connected to the electrode space via return channel structures (26). is fluidly connected, wherein the supply channel structures and/or the return channel structures comprise a plurality of secondary channels (32) which exit at separate positions of the respective fluid connection and open into the electrode space via inflow areas (34).
Description
Die Erfindung betrifft einen Flussrahmen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Redox-Flow-Batterie-Stack. Die Erfindung betrifft auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere Redox-Flow-Batterie-Zelle.The invention relates to a flow frame for an electrochemical cell, in particular for a redox flow battery stack. The invention also relates to an electrochemical cell, in particular a redox flow battery cell.
Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher mit fließfähigen, insbesondere flüssigen, Speichermedien, in denen ein redox-aktives Material bzw. eine redox-aktive Substanz in einem flüssigen Elektrolyten gelöst ist. Die Elektrolyten (je nach Polarität Anolyt bzw. Katholyt genannt) werden separat bereitgestellt, z.B. in separaten Tanks gelagert und bei Bedarf einer elektrochemischen Energiewandlereinheit (der sog. Zelle der Redox-Flow-Batterie) für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt. Beim Lade- bzw. Entladeprozess werden die redox-aktiven Materialien in der Zelle in getrennten Halbzellen oxidiert bzw. reduziert. Hierbei wird beim Entladeprozess chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und beim Ladeprozess elektrische Energie in chemische Energie zurück umgewandelt. Ein Vorteil von Redox-Flow-Batterien besteht insbesondere darin, dass Leistung (Anzahl und Größe der elektrochemischen Energiewandler/Zellen) und Kapazität (Elektrolytvolumen, Größe und Anzahl der Tanks) unabhängig voneinander einstellbar sind, sodass zentrale und dezentrale Speichersysteme im Maßstab von wenigen Kilowatt bis Megawatt realisierbar sind.Redox flow batteries are electrochemical energy storage devices with flowable, in particular liquid, storage media in which a redox-active material or a redox-active substance is dissolved in a liquid electrolyte. The electrolytes (called anolyte or catholyte depending on polarity) are provided separately, e.g. stored in separate tanks and, if necessary, fed to an electrochemical energy conversion unit (the so-called cell of the redox flow battery) for the charging or discharging process. During the charging or discharging process, the redox-active materials in the cell are oxidized or reduced in separate half-cells. Chemical energy is converted into electrical energy during the discharging process and electrical energy is converted back into chemical energy during the charging process. A particular advantage of redox flow batteries is that performance (number and size of electrochemical energy converters/cells) and capacity (electrolyte volume, size and number of tanks) can be adjusted independently of one another, allowing centralized and decentralized storage systems on a scale of a few kilowatts up to megawatts can be achieved.
Eine Redox-Flow-Batterie umfasst üblicherweise eine Vielzahl von baugleichen Zellen, welche fluidisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Zellen sind insbesondere zu einem Stapel, dem sog. Zellstack, zusammengefügt und über ein Verspannsystem verpresst und ggf. mittels Zugankern verspannt. Das Verspannsystem umfasst üblicherweise Endplatten bspw. aus Kunststoff und/oder Nichteisenmetallen wie Aluminium, zwischen denen die Einzelzellen angeordnet sind. Zusätzlich kann das Verspannsystem Isolierplatten zur Trennung der stromführenden Einzelzellen von den Endplatten, Stromabnehmer mit elektrischen Anschlüssen zur Ableitung bzw. Zuführung des Lade- oder Entladestroms sowie Medienanschlüsse für die Zu- und Abführung des Elektrolyten (Anolyt/Katholyt) aufweisen.A redox flow battery usually includes a large number of identical cells, which are fluidically connected in parallel and electrically in series. The cells are in particular assembled into a stack, the so-called cell stack, and pressed using a bracing system and, if necessary, braced using tie rods. The bracing system usually includes end plates, for example made of plastic and/or non-ferrous metals such as aluminum, between which the individual cells are arranged. In addition, the bracing system can have insulating plates for separating the current-carrying individual cells from the end plates, current collectors with electrical connections for discharging or supplying the charging or discharging current as well as media connections for supplying and discharging the electrolyte (anolyte/catholyte).
Zur elektrischen Verbindung der Einzelzellen untereinander ist zwischen zwei Einzelzellen üblicherweise eine sogenannte Bipolarplatte, bspw. aus einem Graphit-Kunststoff-Komposit-Material, angeordnet. Jede Einzelzelle ist wiederum aus zwei Halbzellen aufgebaut, die durch eine ionenleitende Membran getrennt sind.To electrically connect the individual cells to one another, a so-called bipolar plate, for example made of a graphite-plastic composite material, is usually arranged between two individual cells. Each individual cell is made up of two half cells that are separated by an ion-conducting membrane.
Die Halbzellen umfassen ihrerseits jeweils einen Flussrahmen und eine Elektrode, welche üblicherweise in einer Rahmenöffnung des Flussrahmens angeordnet ist. Die Rahmenöffnung bildet insofern einen Elektrodenraum zur Aufnahme einer Elektrode und definiert den eigentlichen Wirkraum bzw. Wirkfläche der Halbzelle, also den aktiven Bereich, in dem die elektrochemischen Prozesse ablaufen. Darüber hinaus umfassen die bekannten Flussrahmen in der Regel ein integriertes Zuführkanalsystem zur Zuführung von Elekytrolyt in den Elektrodenraum und ein Rückführkanalsystem zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraum. Diese Kanalsysteme umfassen üblicherweise einen Fluidanschluss (Primärkanal), bspw. in Form eines Durchgangslochs in dem Flussrahmen, von dem ein Einzelkanal (Sekundärkanal) abgeht, welcher schließlich über fächerförmig oder kammförmig ausgestaltete Verteilerstrukturen in den Elektrodenraum einmündet. Ein derartiger Flussrahmen ist beispielsweise aus
Bei den bekannten Systemen kommt es jedoch regelmäßig zu hohen Druckabfällen über den Primär- und Sekundärkanal, was insbesondere bei hohen Elektrolyt-Volumenströmen die Effizienz des Redox-Flow-Batterie-Stacks und der gesamten Redox-Flow-Batterieanlage begrenzen kann. Zudem ist bei den bekannten Systemen oftmals eine Verteilung des Elektrolyten in dem Wirkraum ungleichmäßig, was sich ebenfalls negativ auf die Leistung der Batterie auswirken kann.However, in the known systems there are regularly high pressure drops across the primary and secondary channels, which can limit the efficiency of the redox flow battery stack and the entire redox flow battery system, particularly with high electrolyte volume flows. In addition, in the known systems, the distribution of the electrolyte in the effective space is often uneven, which can also have a negative effect on the performance of the battery.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, bei einer Redox-Flow-Batterie die Elektrolytführung zu verbessern. Insbesondere sollen auch hohe ElektrolytVolumenströme effizient und homogen durch die Wirkräume einer Redox-Flow-Batterie-Zelle geleitet werden können. Zudem ist eine flexible Skalierung der Redox-Flow-Batterie wünschenswert.The present invention is concerned with the task of improving the electrolyte management in a redox flow battery. In particular, high electrolyte volume flows should be able to be conducted efficiently and homogeneously through the effective spaces of a redox flow battery cell. Flexible scaling of the redox flow battery is also desirable.
Diese Aufgabe wird durch einen Flussrahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Flussrahmen ist für eine Verwendung in einer elektrochemischen Zelle ausgebildet, insbesondere für eine Verwendung in einer Zelle einer Redox-Flow-Batterie.This task is solved by a flow frame with the features of claim 1. The flow frame is designed for use in an electrochemical cell, in particular for use in a cell of a redox flow battery.
Der Flussrahmen umgrenzt eine Rahmenöffnung zur Aufnahme einer Elektrode. Die Rahmenöffnung bildet insofern einen Elektrodenraum zur Aufnahme der Elektrode. Insbesondere definiert der Elektrodenraum den eigentlichen Wirkraum einer Halbzelle umfassend einen solchen Flussrahmen.The flow frame delimits a frame opening for receiving an electrode. The frame opening therefore forms an electrode space for receiving the electrode. In particular, the electrode space defines the actual effective space of a half cell comprising such a flow frame.
Der Flussrahmen umfasst wenigstens ein in dem Flussrahmen ausgebildetes Zuführkanalsystem zur Zuführung von Elektrolyt in den Elektrodenraum. Das Zuführkanalsystem umfasst einen Fluidanschluss (Primärkanal), über welchen dem Flussrahmen Elektrolyt zugeführt werden kann. Der Fluidanschluss ist über Zuführkanalstrukturen mit dem Elektrodenraum fluidisch verbunden. Die Zuführkanalstrukturen münden insofern in den Elektrodenraum ein.The flow frame comprises at least one feed channel system formed in the flow frame for feeding electrolyte into the electrode space. The feed channel system includes a fluid connection (primary channel), through which electrolyte can be supplied to the flow frame. The fluid connection is fluidly connected to the electrode space via supply channel structures. The feed channel structures thus open into the electrode space.
Der Flussrahmen umfasst außerdem wenigstens ein in dem Flussrahmen ausgebildetes Rückführkanalsystem zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraum. Das Rückführkanalsystem umfasst ebenfalls einen Fluidanschluss (Primärkanal), über welchen Elektrolyt aus dem Flussrahmen abgeführt werden kann. Der Fluidanschluss ist über Rückführkanalstrukturen mit dem Elektrodenraum fluidisch verbunden.The flow frame also includes at least one return channel system formed in the flow frame for returning electrolyte from the electrode space. The return channel system also includes a fluid connection (primary channel) through which electrolyte can be removed from the flow frame. The fluid connection is fluidly connected to the electrode space via return channel structures.
Die Fluidanschlüsse sind insofern insbesondere derart über die Kanalstrukturen (Zuführkanalstrukturen bzw. Rückführkanalstrukturen) mit dem Elektrodenraum verbunden, dass über die Kanalsysteme Elektrolyt dem Elektrodenraum, insbesondere einer darin angeordneten Elektrode, zugeführt und aus diesem wieder abgeführt werden kann. Insbesondere können die Fluidanschlüsse in Form von Durchgangslöchern in dem Flussrahmen ausgebildet sein.The fluid connections are connected to the electrode space in particular via the channel structures (supply channel structures or return channel structures) in such a way that electrolyte can be supplied to the electrode space, in particular an electrode arranged therein, and removed from it again via the channel systems. In particular, the fluid connections can be designed in the form of through holes in the flow frame.
Die Zuführkanalstrukturen und/oder die Rückführkanalstrukturen umfassen eine Mehrzahl von Sekundärkanälen (Fluidkanälen), welche an unterschiedlichen und voneinander separaten Positionen des jeweiligen Fluidanschlusses abgehen. Andersrum betrachtet münden die Sekundärkanäle insofern an unterschiedlichen Positionen und voneinander separat in den jeweiligen Fluidanschluss ein. An ihrem anderen Ende münden die Sekundärkanäle über Einströmbereiche, insbesondere umfassend Verteilerstrukturen zur Verteilung von Fluid, in den Elektrodenraum bzw. in die Rahmenöffnung ein. Die Sekundärkanäle erstrecken sich insofern insbesondere von dem jeweiligen Fluidanschluss zu dem jeweiligen Einströmbereich.The supply channel structures and/or the return channel structures comprise a plurality of secondary channels (fluid channels) which exit at different and separate positions of the respective fluid connection. Viewed the other way around, the secondary channels open into the respective fluid connection at different positions and separately from each other. At their other end, the secondary channels open into the electrode space or into the frame opening via inflow areas, in particular comprising distribution structures for distributing fluid. The secondary channels extend in particular from the respective fluid connection to the respective inflow area.
Bei dem vorgeschlagenen Flussrahmen geht von einem Fluidanschluss insofern nicht nur ein Einzelkanal ab, welcher dann, z.B. baumartig, verzweigt. Stattdessen ist eine Mehrzahl von Fluidkanälen (Sekundärkanälen) vorgesehen, welche von dem Fluidanschluss an unterschiedlichen Positionen abgehen und insofern fluidisch parallelgeschaltet sind. Insbesondere weisen die Sekundärkanäle selbst keine Verzweigungen auf. Bei einem solchen Flussrahmen ist ein Gesamtdruckabfall zwischen Fluidanschluss und Elektrodenraum reduziert, da ein Gesamt-Elektrolyt-Volumenstrom auf eine Mehrzahl von Sekundärkanälen aufgeteilt ist (segmentierte Fluidführung). Hierdurch kann der Peripherie-Energiebedarf eines Redox-Flow-Batteriesystems reduziert werden, da z.B. geringere Pumpendrücke erforderlich sind, was sich positiv auf den Energieverbrauch der Peripherie-Aggregate und die Gesamtsystemeffizienz auswirkt. Zudem ermöglicht es ein solcher Flussrahmen, hohe ElektrolytVolumenströme, z.B. zur Realisierung hoher elektrischer Stromdichten [> 200 A/cm2], durch einen Redox-Flow-Stack zu führen, ohne dass es zu nennenswerten Leistungseinbußen und/oder einer Ungleichverteilung des Elektrolyten im Elektrodenraum in den Einzelzellen im Stack kommt. Eine Ausgestaltung mit einer Mehrzahl von Sekundärkanälen begünstigt zudem einen kompakten Aufbau der Zuführ- und Rückführkanalstrukturen und somit einen kompakten Aufbau des gesamten Flussrahmens (Material-Kosteneinsparung).In the proposed flow frame, not only a single channel extends from a fluid connection, which then branches out, for example in a tree-like manner. Instead, a plurality of fluid channels (secondary channels) are provided, which extend from the fluid connection at different positions and are therefore fluidly connected in parallel. In particular, the secondary channels themselves have no branches. With such a flow frame, a total pressure drop between the fluid connection and the electrode space is reduced because a total electrolyte volume flow is divided into a plurality of secondary channels (segmented fluid guidance). This allows the peripheral energy requirements of a redox flow battery system to be reduced because, for example, lower pump pressures are required, which has a positive effect on the energy consumption of the peripheral units and the overall system efficiency. In addition, such a flow frame makes it possible to pass high electrolyte volume flows, for example to achieve high electrical current densities [>200 A/cm 2 ], through a redox flow stack, without causing any significant loss of performance and/or an uneven distribution of the electrolyte in the electrode space in the individual cells in the stack. A design with a plurality of secondary channels also promotes a compact structure of the supply and return channel structures and thus a compact structure of the entire flow frame (material cost savings).
Der Flussrahmen kann beispielsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt sein. Vorteilhafte Materialien für den Flussrahmen umfassen Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid.The flow frame can be manufactured, for example, using an injection molding process. Beneficial materials for the flow frame include polypropylene, polyethylene or polyamide.
Die Fluidanschlüsse können insbesondere in Form von Durchgangslöchern in dem Flussrahmen ausgebildet sein. Insofern können die Sekundärkanäle an unterschiedlichen Positionen radial von dem Durchgangsloch abgehen. Die Flussrahmen können in einem Stack insbesondere derart aufeinandergestapelt sein, dass die Durchgangslöcher der Flussrahmen miteinander fluchten, sodass eine den Stack durchsetzende Elektrolytleitung gebildet ist. Vorzugsweise sind die Zuführkanalstrukturen und die Rückführkanalstrukturen in dem Flussrahmen ausgebildet, beispielsweise in Form von lokalen Ausnehmungen an der Oberfläche des Flussrahmens. Die Kanalstrukturen und/oder die Durchgangslöcher können bereits beim Urformen des Flussrahmens erzeugt werden (bspw. in einem Spritzgussprozess). Es ist aber auch denkbar, dass die Kanalstrukturen und/oder die Durchgangslöcher durch materialabtragende Verfahren, z.B. Bohren, Stanzen oder Fräsen, in einer Rahmenoberfläche des Flussrahmens erzeugt sind.The fluid connections can in particular be designed in the form of through holes in the flow frame. In this respect, the secondary channels can extend radially from the through hole at different positions. The flow frames can in particular be stacked on top of one another in a stack in such a way that the through holes of the flow frames are aligned with one another, so that an electrolyte line passing through the stack is formed. Preferably, the supply channel structures and the return channel structures are formed in the flow frame, for example in the form of local recesses on the surface of the flow frame. The channel structures and/or the through holes can already be produced when the flow frame is initially formed (for example in an injection molding process). However, it is also conceivable that the channel structures and/or the through holes are created in a frame surface of the flow frame by material-removing processes, e.g. drilling, punching or milling.
Für eine homogene Fluidverteilung in dem Elektrodenraum kann es vorteilhaft sein, wenn das Zuführkanalsystem und das Rückführkanalsystem derart ausgebildet sind, dass die Zuführkanalstrukturen und die Rückführkanalstrukturen an gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenraums in diesen einmünden. Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn eine Anzahl der Sekundärkanäle der Zuführkanalstrukturen und eine Anzahl der Sekundärkanäle der Rückführkanalstrukturen gleich ist. Insbesondere können die Zuführkanalstrukturen und die Rückführkanalstrukturen punktsymmetrisch zu einem Elektrodenraummittelpunkt angeordnet sein.For a homogeneous fluid distribution in the electrode space, it can be advantageous if the supply channel system and the return channel system are designed such that the supply channel structures and the return channel structures open into the electrode space on opposite sides. In addition, it can be advantageous if a number of the secondary channels of the supply channel structures and a number of secondary channels of the return channel structures are the same. In particular, the supply channel structures and the return channel structures can be arranged point-symmetrically to an electrode space center.
Eine besonders homogene Verteilung von Elektrolyt in dem Elektrodenraum kann außerdem dadurch begünstigt werden, dass jeder Sekundärkanal über einen eigenen Einströmbereich in den Elektrodenraum einmündet. Insofern ist eine Anzahl an Sekundärkanälen und Einströmbereiche vorzugsweise identisch. Vorzugsweise sind die Einströmbereiche der Sekundärkanäle voneinander räumlich getrennt. Die Sekundärkanäle münden insofern vorzugsweise an separaten Positionen in den Elektrodenraum ein. Hierdurch können hohe lokale Shuntströme beim Eintritt des Elektrolyten in den Elektrodenraum reduziert werden.A particularly homogeneous distribution of electrolyte in the electrode space can also be promoted by the fact that each secondary electrode nal flows into the electrode space via its own inflow area. In this respect, a number of secondary channels and inflow areas are preferably identical. The inflow areas of the secondary channels are preferably spatially separated from one another. The secondary channels therefore preferably open into the electrode space at separate positions. This allows high local shunt currents to be reduced when the electrolyte enters the electrode space.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die Sekundärkanäle entlang ihres, insbesondere kompletten, Verlaufs von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraum fluidisch und elektrisch voneinander isoliert sind. Insbesondere können die Sekundärkanäle entlang ihres Verlaufs von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraum durch Materialabschnitte des Flussrahmens, insbesondere in Form von Stegen, voneinander fluidisch und elektrisch isoliert sein.In addition, it can be advantageous if the secondary channels are fluidically and electrically insulated from one another along their, in particular complete, course from the fluid connection to the electrode space. In particular, the secondary channels can be fluidically and electrically insulated from one another along their course from the fluid connection to the electrode space by material sections of the flow frame, in particular in the form of webs.
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung können die Sekundärkanäle ihrerseits jeweils eine Mehrzahl von, insbesondere parallel verlaufenden, Unterkanälen aufweisen oder dadurch gebildet sein. Eine solche zusätzliche Unterteilung in Unterkanäle reduziert den Gesamtdruckabfall weiter. Zudem ist bei einer solchen Ausgestaltung eine Kanalbreite je Kanal (Unterkanal) geringer als die Kanalbreite eines Einzelkanals mit vergleichbarem Gesamtströmungsquerschnitt wie die Summe der Unterkanäle eines Sekundärkanals. Dies ermöglicht es, die Sekundärkanäle bzw. Unterkanäle auf einfache Weise auch mit weichen Dichtungsmaterialien, insbesondere Flachdichtungen, abzudichten, da durch die geringe Kanalbreite ein unerwünschtes Einsinken der Dichtungsmaterialien in die Kanäle, bspw. beim Verpressen im Stack, verhindert oder zumindest auf ein akzeptables Maß reduziert werden kann. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn eine Kanalbreite der Unterkanäle zwischen 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm beträgt und/oder wobei eine Kanaltiefe (bzw. Höhe) der Unterkanäle zwischen 0,3 und 4 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mm, beträgt.As part of an advantageous development, the secondary channels can in turn each have a plurality of, in particular parallel, subchannels or can be formed thereby. Such additional division into sub-channels further reduces the overall pressure drop. In addition, in such a configuration, a channel width per channel (subchannel) is smaller than the channel width of an individual channel with a comparable overall flow cross section to the sum of the subchannels of a secondary channel. This makes it possible to seal the secondary channels or sub-channels in a simple manner with soft sealing materials, in particular flat seals, since the small channel width prevents the sealing materials from sinking into the channels, for example when pressing in the stack, or at least to an acceptable level can be reduced. In this context, it can be advantageous if a channel width of the sub-channels is between 1 and 6 mm, preferably between 2 and 4 mm and/or a channel depth (or height) of the sub-channels is between 0.3 and 4 mm, preferably between 0 .5 and 2 mm.
Die Unterkanäle können grundsätzlich den gleichen Strömungsquerschnitt, insbesondere die gleiche Kanalbreite und/oder Kanaltiefe, aufweisen. Es ist auch denkbar, dass eine Teilmenge der Unterkanäle eines Strömungskanals einen unterschiedlichen Strömungsquerschnitt aufweist. Es ist auch denkbar, dass ein Unterkanal entlang seines Verlaufs innerhalb eines Sekundärkanal-Segments eine variierende Kanalbreite und/oder Kanaltiefe aufweist.The subchannels can fundamentally have the same flow cross section, in particular the same channel width and/or channel depth. It is also conceivable that a subset of the subchannels of a flow channel have a different flow cross section. It is also conceivable that a subchannel has a varying channel width and/or channel depth along its course within a secondary channel segment.
Die Unterkanäle münden ihrerseits vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen, insbesondere voneinander separat, in den jeweiligen Fluidanschluss ein. Mit anderen Worten gehen die Unterkanäle insbesondere an unterschiedlichen Positionen des Fluidanschlusses ab.The sub-channels in turn preferably open into the respective fluid connection at different positions, in particular separately from one another. In other words, the sub-channels extend in particular from different positions of the fluid connection.
Die Unterkanäle können sich entlang der gesamten Länge eines jeweiligen Sekundärkanals erstrecken. Insbesondere können die Unterkanäle entlang ihres kompletten Verlaufs von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraum voneinander fluidisch und elektrisch isoliert sein. Beispielsweise können die Unterkanäle zumindest abschnittsweise durch Stege voneinander getrennt sein. Die Stege können durch Materialabschnitte des Flussrahmens gebildet sein. Die Stege können dabei als Abstützflächen für optionale Dichtungselemente wie bspw. Flachdichtungen dienen.The subchannels can extend along the entire length of a respective secondary channel. In particular, the subchannels can be fluidically and electrically insulated from one another along their entire course from the fluid connection to the electrode space. For example, the subchannels can be separated from one another at least in sections by webs. The webs can be formed by material sections of the flow frame. The webs can serve as support surfaces for optional sealing elements such as flat gaskets.
Um einen Ausgleich von etwaigen Druckunterschieden zwischen den Unterkanälen zu ermöglichen, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Teilmenge der Unterkanäle zumindest einer Teilmenge der Sekundärkanäle über wenigstens einen Querkanal miteinander verbunden sind. Dies kann bspw. dadurch erzielt werden, dass Stege, welche benachbarte Unterkanäle trennen, zumindest abschnittsweise unterbrochen sind. Es ist auch denkbar, dass Querkanäle unterschiedlicher Breite vorgesehen sind.However, in order to enable compensation of any pressure differences between the sub-channels, it may be advantageous if at least a subset of the sub-channels of at least a subset of the secondary channels are connected to one another via at least one transverse channel. This can be achieved, for example, by interrupting at least sections of webs that separate adjacent subchannels. It is also conceivable that transverse channels of different widths are provided.
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung können die Sekundärkanäle eine Mehrzahl von Sekundärkanal-Segmenten umfassen, welche entlang der Erstreckung des Sekundärkanals von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraum hintereinander angeordnet sind. Mit anderen Worten kann ein jeweiliger Sekundärkanal entlang seines Verlaufs in mehrere Abschnitte unterteilt sein, welche in ihrer Gesamtheit den Sekundärkanal bilden. Die Sekundärkanäle können insofern derart ausgebildet sein, dass entlang ihrer Erstreckung von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraum verschiedene Segmente durchlaufen werden.As part of an advantageous development, the secondary channels can comprise a plurality of secondary channel segments, which are arranged one behind the other along the extension of the secondary channel from the fluid connection to the electrode space. In other words, a respective secondary channel can be divided along its course into several sections, which in their entirety form the secondary channel. The secondary channels can be designed in such a way that different segments are passed through along their extension from the fluid connection to the electrode space.
Die Sekundärkanal-Segmente können ihrerseits die vorstehend beschriebenen Unterkanäle aufweisen. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Sekundärkanal-Segmente eines Sekundärkanals jeweils die gleiche Anzahl von Unterkanälen aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Anzahl von Unterkanälen zwischen den Sekundärkanal-Segmenten eines Sekundärkanals variiert. Vorzugsweise ist eine Anzahl und Konfiguration der Unterkanäle derart gewählt, dass ein Druckabfall möglichst homogen über alle Sekundärkanäle ist.The secondary channel segments can in turn have the subchannels described above. In this context, it is possible for the secondary channel segments of a secondary channel to each have the same number of subchannels. However, it is also possible for the number of subchannels to vary between the secondary channel segments of a secondary channel. Preferably, a number and configuration of the subchannels is selected such that a pressure drop is as homogeneous as possible across all secondary channels.
Eine Homogenisierung des Fluidstroms durch einen Sekundärkanal kann insbesondere dadurch begünstigt werden, dass zumindest ein Sekundärkanal-Segment des Sekundärkanals eine geringere Anzahl an Unterkanälen aufweist als ein entlang der Erstreckung des Sekundärkanals von dem Fluidanschluss zu dem Einströmbereich vor diesem Sekundärkanal-Segment liegendes Sekundärkanal-Segment. Insofern kann eine Anzahl an Unterkanälen entlang der Erstreckung des Sekundärkanals von dem Fluidanschluss zu dem Einströmbereich auch abnehmen. Insbesondere kann zumindest eine Teilmenge der Sekundärkanäle derart ausgebildet sein, dass eine Anzahl von Unterkanälen entlang des Verlaufs des Sekundärkanals von dem Fluidkanal zu dem Elektrodenraum zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt, insbesondere nicht von Segment zu Segment steigt.Homogenization of the fluid flow through a secondary channel can be promoted in particular by having at least one secondary channel segment of the secondary channel has a smaller number of subchannels than a secondary channel segment lying along the extension of the secondary channel from the fluid connection to the inflow area in front of this secondary channel segment. In this respect, a number of subchannels can also decrease along the extent of the secondary channel from the fluid connection to the inflow region. In particular, at least a subset of the secondary channels can be designed such that a number of subchannels initially decreases and then increases again along the course of the secondary channel from the fluid channel to the electrode space, in particular does not increase from segment to segment.
Die Sekundärkanal-Segmente können derart ausgebildet sein, dass zumindest eine Teilmenge der Sekundärkanal-Segmente eines Sekundärkanals eine unterschiedliche Orientierung aufweist. Insofern können benachbarte Sekundärkanal-Segmente zueinander winklig angeordnet sein, bspw. zueinander orthogonal verlaufen.The secondary channel segments can be designed such that at least a subset of the secondary channel segments of a secondary channel have a different orientation. In this respect, adjacent secondary channel segments can be arranged at an angle to one another, for example, run orthogonally to one another.
Eine Homogenisierung der Fluidströmung in den Sekundärkanälen kann ferner dadurch begünstigt werden, dass an einem Verbindungspunkt, insbesondere einem Umlenkpunkt, zweier benachbarter Sekundärkanal-Segmente eines Sekundärkanals die Unterkanäle über ein gitterartiges Kanalnetz miteinander fluidisch verbunden sind. Beispielsweise können die vorstehend beschriebenen Stege zwischen benachbarten Unterkanälen derart abschnittsweise unterbrochen sein, dass ein gitterartiges Kanalnetz gebildet ist. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht zudem einen Ausgleich von Druckunterschieden zwischen den Unterkanälen.Homogenization of the fluid flow in the secondary channels can further be promoted in that at a connection point, in particular a deflection point, of two adjacent secondary channel segments of a secondary channel, the subchannels are fluidly connected to one another via a grid-like channel network. For example, the webs described above can be interrupted in sections between adjacent sub-channels in such a way that a grid-like channel network is formed. Such a design also enables pressure differences between the sub-channels to be equalized.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung können das wenigstens eine Zuführkanalsystem und/oder das wenigstens eine Rückführkanalsystem, insbesondere die Sekundärkanäle, derart ausgebildet sein, dass ein Druckunterschied zwischen Fluidanschluss und jeweiligem Einströmbereich der Sekundärkanäle in den Elektrodenraum zwischen 0 und 10 %, insbesondere zwischen 0,1 und 1,0 %, beträgt.As part of an advantageous embodiment, the at least one supply channel system and/or the at least one return channel system, in particular the secondary channels, can be designed such that a pressure difference between the fluid connection and the respective inflow area of the secondary channels into the electrode space is between 0 and 10%, in particular between 0.1 and 1.0%.
Um einen möglichst homogenen Druckabfall über alle Sekundärkanäle von deren Abzweig aus dem Fluidanschluss bis zu dem Eintritt in den Elektrodenraum zu erzielen, kann es außerdem vorteilhaft sein, wenn das wenigstens eine Zuführkanalsystem und/oder das wenigstens eine Rückführkanalsystem, insbesondere die Sekundärkanäle, weiter insbesondere eine Konfiguration der Unterkanäle, derart ausgebildet sind, dass eine Differenz zwischen den Teilvolumenströmen durch die Sekundärkanäle kleiner 10 %, vorzugsweise kleiner 1%, insbesondere zwischen 0,1 und 0,8 %, ist.In order to achieve the most homogeneous possible pressure drop across all secondary channels from their branch from the fluid connection to the entry into the electrode space, it can also be advantageous if the at least one supply channel system and / or the at least one return channel system, in particular the secondary channels, in particular one Configuration of the subchannels are designed such that a difference between the partial volume flows through the secondary channels is less than 10%, preferably less than 1%, in particular between 0.1 and 0.8%.
Für eine homogene Verteilung von Elektrolytflüssigkeit in dem Elektrodenraum kann es außerdem vorteilhaft sein, wenn auch auf Ebene der Primärkanäle, also auf Ebene der Fluidanschlüsse, eine segmentierte Fluidführung erfolgt. Zu diesem Zweck kann der Flussrahmen im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung eine Mehrzahl von vorstehend beschriebenen Zuführkanalsystemen und eine Mehrzahl von vorstehend beschriebenen Rückführkanalsystemen aufweisen. Insofern kann der Flussrahmen mehrere Fluidanschlüsse zur Zuführung von Elektrolyt in den Flussrahmen und mehrere Fluidanschlüsse zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Flussrahmen umfassen. Es ist beispielsweise denkbar, dass der Flussrahmen wenigstens zwei Fluidanschlüsse umfasst, welche mit vorstehend beschriebenen Zuführkanalstrukturen mit dem Elektrodenraum verbunden sind, und wenigstens zwei Fluidanschlüsse, welche mit den vorstehend beschriebenen Rückführkanalstrukturen mit dem Elektrodenraum verbunden sind. Eine solche segmentierte Fluidzuführung und Fluidrückführung reduziert den Druckabfall weiter, sodass auch hohe Elektrolytvolumenströme effizient durch den Elektrodenraum geleitet werden können.For a homogeneous distribution of electrolyte liquid in the electrode space, it can also be advantageous if segmented fluid guidance also takes place at the level of the primary channels, i.e. at the level of the fluid connections. For this purpose, as part of an advantageous development, the flow frame can have a plurality of feed channel systems described above and a plurality of return channel systems described above. In this respect, the flow frame can include several fluid connections for supplying electrolyte into the flow frame and several fluid connections for returning electrolyte from the flow frame. It is, for example, conceivable that the flow frame comprises at least two fluid connections, which are connected to the electrode space with the feed channel structures described above, and at least two fluid connections, which are connected to the electrode space with the return channel structures described above. Such a segmented fluid supply and fluid return further reduces the pressure drop, so that even high electrolyte volume flows can be conducted efficiently through the electrode space.
In vorteilhafter Weise kann der Flussrahmen eine Mehrzahl von Flussrahmensegmenten umfassen, welche jeweils ein Zuführkanalsystem und ein Rückführkanalsystem aufweisen. Die Flussrahmensegmente können insbesondere entlang einer Rahmenachse nebeneinander angeordnet sein. Insbesondere definieren die Flussrahmensegmente jeweils ein Elektrodenraumsegment, wobei die Elektrodenraumsegmente in ihrer Gesamtheit den Elektrodenraum bilden.Advantageously, the flow frame can comprise a plurality of flow frame segments, each of which has a supply channel system and a return channel system. The flow frame segments can in particular be arranged next to one another along a frame axis. In particular, the flow frame segments each define an electrode space segment, with the electrode space segments forming the electrode space as a whole.
Die Flussrahmensegmente können derart ausgebildet sein, dass die Elektrodenraumsegmente der Flussrahmensegmente in ihrer Gesamtheit einen durchgehenden Elektrodenraum bilden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Elektrodenraumsegmente entlang der Rahmenachse betrachtet einseitig oder beidseitig offen sind, sodass durch Zusammensetzen mehrerer Flussrahmensegmente eine Größe des Elektrodenraums variabel verändert werden kann. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Flussrahmens kann dann kann beispielsweise eine einzelne Elektrode vorgesehen sein, welche den Elektrodenraum, insbesondere vollständig, ausfüllt.The flow frame segments can be designed in such a way that the electrode space segments of the flow frame segments as a whole form a continuous electrode space. For example, it is conceivable that the electrode space segments are open on one or both sides when viewed along the frame axis, so that the size of the electrode space can be variably changed by assembling several flow frame segments. If the flow frame is used as intended, a single electrode can then be provided, for example, which fills the electrode space, in particular completely.
Es ist auch denkbar, dass die Elektrodenraumsegmente voneinander fluidisch getrennt sind. Insofern können die Flussrahmensegmente derart ausgebildet sein, dass sie ein jeweiliges Elektrodenraumsegment nach außen hin begrenzen. Beispielsweise kann der Flussrahmen eine Mehrzahl von separaten Rahmenöffnungen einschließen, wobei jede Rahmenöffnung ein Elektrodenraumsegment bildet. Jedem Elektrodenraumsegment ist dann insbesondere ein Zuführkanalsystem und ein Rückführkanalsystem zugeordnet, um Elektrolyt dem Elektrodenraumsegment zuführen zu können oder aus diesem abführen zu können. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Flussrahmens kann dann in jedem Elektrodenraumsegment eine Elektrode angeordnet sein.It is also conceivable that the electrode space segments are fluidically separated from one another. In this respect, the flow frame segments can be designed in such a way that they limit a respective electrode space segment to the outside. For example, the flow frame may include a plurality of separate frame openings, each frame opening forming an electrode space segment. Each electrode space segment then has, in particular, a supply channel system and a return channel Channel system assigned in order to be able to supply electrolyte to the electrode space segment or to be able to remove it from it. If the flow frame is used as intended, an electrode can then be arranged in each electrode space segment.
Der Flussrahmen kann grundsätzlich einstückig ausgebildet sein. Insofern können die Flussrahmensegmente durch Abschnitte des Flussrahmens gebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass der Flussrahmen modular aus den Flussrahmensegmenten zusammengesetzt ist. Insbesondere können die Flussrahmensegmente durch voneinander separat bereitgestellte Rahmenelemente gebildet sein, welche fluiddicht zu dem Flussrahmen miteinander verbunden sind. Die Rahmenelemente können dann insbesondere jeweils wenigstens eine Rahmenöffnung einschließen oder zumindest abschnittsweise begrenzen, welche ein Elektrodenraumsegment bildet. Die Rahmenelemente können bspw. stoffschlüssig miteinander verbunden sein, z.B. durch Schweißen und/oder Kleben. Es ist auch denkbar, dass die Rahmenelemente mittels Dichtungselementen fluiddicht verbunden sind. Eine solche modulare Ausgestaltung ermöglicht es, auf einfache Weise den Elektrodenraum und somit eine effektive Wirkfläche einer Halbzelle variabel zu vergrößern und trotzdem einen geringen Gesamtdruckabfall zu erzielen.The flow frame can basically be formed in one piece. In this respect, the flow frame segments can be formed by sections of the flow frame. However, it is also possible for the flow frame to be modularly composed of the flow frame segments. In particular, the flow frame segments can be formed by frame elements that are provided separately from one another and are connected to one another in a fluid-tight manner to form the flow frame. The frame elements can then in particular each enclose or at least partially delimit at least one frame opening, which forms an electrode space segment. The frame elements can, for example, be connected to one another in a materially bonded manner, for example by welding and/or gluing. It is also conceivable that the frame elements are connected in a fluid-tight manner by means of sealing elements. Such a modular design makes it possible to variably enlarge the electrode space and thus an effective effective area of a half cell in a simple manner and still achieve a low overall pressure drop.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Flussrahmensegmente zueinander identisch ausgebildet sein. Ein solcher Flussrahmen kann vergleichsweise kostengünstig bereitgestellt werden, da durch eine hohe Anzahl von Gleichteilen Skaleneffekte bei der Herstellung ausgenutzt werden können (nur ein Werkzeug, Massenfertigung gleicher Teile) .As part of an advantageous embodiment, the flow frame segments can be designed to be identical to one another. Such a flow frame can be provided comparatively inexpensively, since economies of scale can be exploited in production due to a large number of identical parts (only one tool, mass production of identical parts).
In Abhängigkeit einer Orientierung der Flussrahmensegmente in dem Flussrahmen kann dann eine relative Anordnung der Fluidanschlüsse verändert werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Flussrahmensegmente in gleicher Orientierung entlang der Rahmenachse nebeneinander angeordnet sind. Dann kann beispielsweise bei benachbarten, also entlang der Rahmenachse nebeneinanderliegenden, Flussrahmensegmenten eine relative Anordnung der Fluidanschlüsse identisch sein. Insofern können die Flussrahmensegmente insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein, dass ein mit dem Elektrodenraum fluidisch verbundener Fluidanschluss eines Flussrahmensegments neben einem von dem Elektrodenraum fluidisch getrennten Fluidanschluss eines benachbarten Flussrahmens angeordnet ist. Insbesondere können sich Fluidanschlüsse, welche mit dem Elektrodenraum fluidisch verbunden sind, und Fluidanschlüsse, welche von dem Elektrodenraumsegment fluidisch getrennt sind, entlang der Rahmenachse betrachtet insbesondere abwechseln.Depending on an orientation of the flow frame segments in the flow frame, a relative arrangement of the fluid connections can then be changed. It is, for example, conceivable that the flow frame segments are arranged next to one another in the same orientation along the frame axis. Then, for example, for adjacent flow frame segments, i.e. those lying next to one another along the frame axis, a relative arrangement of the fluid connections can be identical. In this respect, the flow frame segments can in particular be designed and arranged such that a fluid connection of a flow frame segment that is fluidly connected to the electrode space is arranged next to a fluid connection of an adjacent flow frame that is fluidly separated from the electrode space. In particular, fluid connections that are fluidly connected to the electrode space and fluid connections that are fluidly separated from the electrode space segment can, in particular, alternate when viewed along the frame axis.
Es ist auch denkbar, dass benachbarte Flussrahmensegmente um 180° relativ zueinander um eine Drehachse verdreht sind. Die Drehachse kann der Rahmenachse entsprechen. Die Drehachse kann auch zu einer von dem Flussrahmen aufgespannten Rahmenebene orthogonal verlaufen. Die Drehachse kann auch orthogonal zu der Rahmenachse verlaufen und in der Rahmenebene liegen. Beispielsweise ist es denkbar, dass benachbarte Flussrahmensegmente derart angeordnet sind, dass bei benachbarten, also entlang der Rahmenachse nebeneinanderliegenden, Flussrahmensegmenten eine relative Anordnung der Fluidanschlüsse vertauscht ist. Insofern können die Flussrahmensegmente insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein, dass bei benachbarten Flussrahmensegmenten Fluidanschlüsse der gleichen Kategorie (mit dem Elektrodenraum fluidisch verbundene Fluidanschlüsse oder von dem Elektrodenraum fluidisch getrennten Fluidanschlüsse) entlang der Rahmenachse betrachtet nebeneinanderliegen. Dies ermöglicht eine besonders einfache und platzsparende FluidVerteilung auf die Fluidanschlüsse, da dann Zuführ- oder Rückführ-Fluidanschlüsse vorzugsweise nebeneinanderliegen.It is also conceivable that adjacent flow frame segments are rotated by 180° relative to one another about an axis of rotation. The axis of rotation can correspond to the frame axis. The axis of rotation can also run orthogonally to a frame plane spanned by the flow frame. The axis of rotation can also run orthogonally to the frame axis and lie in the frame plane. For example, it is conceivable that adjacent flow frame segments are arranged in such a way that a relative arrangement of the fluid connections is reversed in adjacent flow frame segments, i.e. those lying next to one another along the frame axis. In this respect, the flow frame segments can in particular be designed and arranged such that, in the case of adjacent flow frame segments, fluid connections of the same category (fluid connections fluidly connected to the electrode space or fluid connections fluidly separated from the electrode space) lie next to one another along the frame axis. This enables a particularly simple and space-saving fluid distribution to the fluid connections, since supply or return fluid connections are then preferably next to one another.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 15 gelöst. Insbesondere handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle um eine Zelle einer Redox-Flow-Batterie. Die Zelle umfasst eine erste und eine zweite Halbzelle. Die Zelle umfasst außerdem eine Membran, welche zwischen der ersten und der zweiten Halbzelle angeordnet ist. Die Membran ist insbesondere zumindest abschnittsweise ionendurchlässig ausgebildet. Jede Halbzelle umfasst einen vorstehend beschriebenen Flussrahmen und eine in dem Elektrodenraum dieses Flussrahmens angeordnete Elektrode. Vorzugsweise füllt die Elektrode den Elektrodenraum vollständig aus. Bei der Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Filz-Elektrode handeln, z.B. aus einem Kohlenstoffmaterial.The task mentioned at the beginning is also achieved by an electrochemical cell according to claim 15. In particular, the electrochemical cell is a cell of a redox flow battery. The cell includes a first and a second half cell. The cell also includes a membrane disposed between the first and second half cells. The membrane is in particular designed to be ion-permeable at least in sections. Each half cell includes a flow frame described above and an electrode arranged in the electrode space of this flow frame. Preferably, the electrode completely fills the electrode space. The electrode can be, for example, a felt electrode, for example made of a carbon material.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Flussrahmen der ersten Halbzelle und der Flussrahmen der zweiten Halbzelle zueinander identisch ausgebildet, wobei der Flussrahmen der zweiten Halbzelle relativ zu dem Flussrahmen der ersten Halbzelle um 180° um eine seiner Außenkanten geklappt ist.As part of an advantageous embodiment, the flow frame of the first half-cell and the flow frame of the second half-cell are designed to be identical to one another, with the flow frame of the second half-cell being folded by 180° around one of its outer edges relative to the flow frame of the first half-cell.
Für einen Einsatz in einer Redox-Flow-Batterie kann es ferner vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Zellen zu einem Zellstack gestapelt sind. Es wird insofern zur Lösung der Aufgabe auch ein Zellstack vorgeschlagen, welcher eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Zellen umfasst. Die Zellen sind insbesondere entlang einer zu der von dem Flussrahmen aufgespannten Rahmenebene orthogonalen Stapelrichtung aufeinandergestapelt. Dabei ist zwischen benachbarten Zellen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet. Eine Bipolarplatte ist insofern jeweils zwei benachbarten Halbzellen zugeordnet.For use in a redox flow battery, it can also be advantageous if a majority of the cells described above are stacked to form a cell stack. In order to solve the problem, a cell stack is also proposed which contains a majority of those described above Cells included. The cells are stacked on top of one another in particular along a stacking direction that is orthogonal to the frame plane spanned by the flow frame. A bipolar plate is arranged between neighboring cells. A bipolar plate is therefore assigned to two adjacent half cells.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigen:
-
1 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Draufsicht und vergrößerte Ausschnitte zur Erläuterung einer beispielhaften Ausgestaltung der Kanalstrukturen; -
2 vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Sekundärkanals; -
3 vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung einer Verbindung zweier Sekundärkanal-Segmente; -
4 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Flussrahmens; -
5 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Flussrahmens; -
6 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines aus mehreren Rahmenelementen modular aufgebauten Flussrahmens; und -
7 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines aus mehreren Rahmenelementen modular aufgebauten Flussrahmens.
-
1 simplified schematic representation of an embodiment of a flow frame in a top view and enlarged details to explain an exemplary embodiment of the channel structures; -
2 simplified schematic representation to explain an exemplary embodiment of a secondary channel; -
3 simplified schematic representation to explain a connection between two secondary channel segments; -
4 simplified schematic representation of a further embodiment of a flow frame; -
5 simplified schematic representation of a further embodiment of a flow frame; -
6 simplified schematic representation of an embodiment of a river frame constructed modularly from several frame elements; and -
7 Simplified schematic representation of a further embodiment of a river frame constructed modularly from several frame elements.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following description and in the figures, the same reference numbers are used for identical or corresponding features.
Die
Der Flussrahmen 10 umgrenzt eine, im Beispiel mittige, Rahmenöffnung 12. Die Rahmenöffnung dient zur Aufnahme einer Elektrode (nicht dargestellt) und bildet insofern einen Elektrodenraum 14 des Flussrahmens 10. Der Elektrodenraum 14 bildet den eigentlichen Wirkraum des Flussrahmens 10, also denjenigen Bereich, in dem die elektrochemischen Prozesse ablaufen.The
Der Flussrahmen 10 umfasst außerdem ein Zuführkanalsystem 16 zur Zuführung von Elektrolyt in den Elektrodenraum 14 und ein Rückführkanalsystem 18 zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraum 14.The
Das Zuführkanalsystem 16 umfasst einen Fluidanschluss 20 zur Zuführung von Elektrolytflüssigkeit in den Flussrahmen 10. Das Zuführkanalsystem 16 umfasst außerdem Zuführkanalstrukturen 22, über welche der Fluidanschluss 20 mit dem Elektrodenraum 14 fluidisch verbunden ist (nachfolgend noch im Detail erläutert). In analoger Weise umfasst das Rückführkanalsystem 18 einen Fluidanschluss 24 zur Abführung von Elektrolytflüssigkeit aus dem Flussrahmen 10 sowie Rückführkanalstrukturen 26, über welche der Fluidanschluss 24 mit dem Elektrodenraum 14 fluidisch verbunden ist.The
Beispielhaft und bevorzugt liegen der Fluidanschluss 20 des Zuführkanalsystems 16 und der Fluidanschluss 24 des Rückführkanalsystems 18 in Bezug auf den Elektrodenraum 14 einander diagonal gegenüber (vgl.
In dem dargestellten Beispiel umfasst der Flussrahmen 10 außerdem zwei weitere Fluidanschlüsse 28, 30, welche nicht über Kanalstrukturen mit dem Elektrodenraum 14 verbunden sind. Die weitere Fluidanschlüsse 28, 30 liegen beispielhaft und bevorzugt ebenfalls einander diagonal gegenüber.In the example shown, the
Beispielhaft und bevorzugt sind die Fluidanschlüsse 20, 24, 28, 30 in Form von Durchgangslöchern in dem Flussrahmen 10 ausgebildet. Der Flussrahmen 10 kann insbesondere aus Polypropylen, Polyethylen, oder Polyamid, hergestellt sein, beispielsweise mittels Spritzgießen.By way of example and preferably, the
In einem Redox-Flow-Stack (nicht dargestellt) sind die Flussrahmen 10 insbesondere derart aufeinandergestapelt, dass die Fluidanschlüsse 20, 24, 28,30 benachbarter Flussrahmen 10 miteinander fluchten, sodass jeweils eine den Stack durchlaufende Elektrolytleitung gebildet ist. Wie bereits erwähnt, sind in einer Zelle vorzugsweise zwei Flussrahmen 10 vorgesehen, welche spiegelverkehrt angeordnet sind. Insofern können die Fluidanschlüsse 28, 30, ohne Kanalstrukturen eines Flussrahmens 10 mit den Fluidanschlüssen 20, 24 mit Kanalstrukturen 22, 26 des zweiten Flussrahmens 10 einer Zelle fluidisch verbunden sein, insbesondere miteinander fluchten.In a redox flow stack (not shown), the flow frames 10 are in particular stacked on top of one another in such a way that the
In einer beispielhaften Anwendungssituation des Flussrahmens 10 in einer Redox-Flow-Batterie kann der Fluidanschluss 20 zur Zuführung eines der beiden in der Redox-Flow-Batterie verwendeten Elektrolyten (z.B. des Katholyten) in den Elektrodenraum 14 dienen (Katholyt-Zuführung) und der Fluidanschluss 24 kann zur Rückführung dieses Elektrolyten aus dem Elektrodenraum 14 dienen. Die beiden anderen Fluidanschlüsse 28, 30 (ohne Kanalstrukturen) können dann insbesondere der Weiterleitung des anderen Elektrolyten (z.B. des Anolyten) an den benachbarten Flussrahmen 10 der Zelle dienen.In an exemplary application situation of the
Wie aus
Die Sekundärkanäle 32 münden über separate, voneinander räumlich getrennte Einströmbereiche 34 in den Elektrodenraum 14 ein. Die Einströmbereiche 34 können Verteilerstrukturen zur Verteilung von Elektrolytflüssigkeit in den Elektrodenraum 14 umfassen.The
Die Sekundärkanäle 32 sind entlang ihres kompletten Verlaufs von dem Fluidanschluss 20, 24 zu den Einströmbereichen 34 voneinander fluidisch und elektrisch isoliert, beispielhaft und bevorzugt durch Materialabschnitte 36 des Flussrahmens 10.The
Die Sekundärkanäle 32 umfassen ihrerseits jeweils eine Mehrzahl von, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Unterkanälen 38 (vgl. Ausschnitt II in
Im Konkreten können die Unterkanäle 38 zumindest abschnittsweise durch lokale Ausnehmungen in einer Rahmenoberfläche des Flussrahmens 10 ausgebildet sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Flussrahmen 10 mit den Kanalstrukturen 22, 26 in einem Spritzgussprozess hergestellt ist.Specifically, the sub-channels 38 can be formed at least in sections by local recesses in a frame surface of the
Wie in
Die
Wie in
In dem dargestellten Beispiel weisen die Unterkanäle 38 jeweils die gleiche Kanalbreite auf. Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen ist es jedoch auch möglich, dass die Unterkanäle 38 unterschiedliche Kanalbreiten und/oder Kanaltiefen aufweisen. Es ist auch möglich, dass sich eine Kanalbreite eines Unterkanals 38 beim Übergang von einem Sekundärkanal-Segment 46 zu einem anderen Sekundärkanal-Segment 46 verändert. Es ist auch denkbar, dass ein Unterkanal 38 entlang seines Verlaufs innerhalb eines Sekundärkanal-Segments 46 eine variierende Kanalbreite aufweist.In the example shown, the
Beispielhaft und bevorzugt beträgt eine Kanalbreite der Unterkanäle 38 zwischen 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm und/oder eine Kanaltiefe (bzw. Höhe) der Unterkanäle 38 zwischen 0,3 und 4 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mm.By way of example and preferably, a channel width of the
Wie bereits erwähnt kann sich die vorstehend auf Ebene der Sekundärkanäle 32 beschriebene segmentierte Fluidführung optional auch auf Ebene der Primärkanäle (Fluidanschlüsse 20, 24, 28, 30) fortsetzen. Eine beispielhafte Ausgestaltung einer solchen Weiterbildung mit segmentierter Fluidzuführung und Fluidrückführung ist in den
Bei der in
Bei den in den
Der Flussrahmen 10 kann grundsätzlich einstückig ausgebildet sein. Insofern können die Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 durch Abschnitte des Flussrahmens 10 gebildet sein. In vorteilhafter Weise können die Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 jedoch durch voneinander separat bereitgestellte Rahmenelemente 56-1, 56-2 gebildet sein, welche zu dem Flussrahmen 10 fluiddicht miteinander verbunden sind (in
Wie aus
Die
Die
Beispielhaft kann der Flussrahmen gemäß
Die
Bei der in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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