DE102022113312A1

DE102022113312A1 - Cell stacking package

Info

Publication number: DE102022113312A1
Application number: DE102022113312.5A
Authority: DE
Inventors: Udo Martin
Original assignee: J Schmalz GmbH
Current assignee: J Schmalz GmbH
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023227658A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellstapelpaket (10), umfassend einen Zellstapel (12) mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (14), welche entlang einer Stapelachse (16) aufeinandergestapelt sind, und eine Kompressionseinrichtung (22), mittels welcher die Zellen entlang der Stapelachse gegeneinander verpresst sind. Die Kompressionseinrichtung (22) umfasst eine erste Endplatte (24), eine zweite Endplatte (26), und eine Federeinrichtung (28) zur Bereitstellung einer Federkraftwirkung auf den Zellstapel, wobei der Zellstapel zwischen der ersten und der zweiten Endplatte angeordnet ist, wobei die Federeinrichtung zwischen der ersten Endplatte und dem Zellstapel angeordnet ist, und wobei die Federeinrichtung eine Mehrzahl von Federn (30) oder Federstapeln umfasst, welche über eine Stapel-Querschnittsfläche verteilt angeordnet sind. Die Erfindung betrifft auch eine Kompressionseinrichtung zur Verwendung in einem solchen Zellstapelpaket.

The invention relates to a cell stack package (10), comprising a cell stack (12) with a plurality of electrochemical cells (14), which are stacked on top of one another along a stack axis (16), and a compression device (22), by means of which the cells are stacked against one another along the stack axis are pressed. The compression device (22) comprises a first end plate (24), a second end plate (26), and a spring device (28) for providing a spring force effect on the cell stack, the cell stack being arranged between the first and the second end plates, the spring device is arranged between the first end plate and the cell stack, and wherein the spring device comprises a plurality of springs (30) or spring stacks which are arranged distributed over a stack cross-sectional area. The invention also relates to a compression device for use in such a cell stack package.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zellstapelpaket, umfassend einen Zellstapel mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und eine Kompressionseinrichtung, mittels welcher die Zellen gegeneinander verpresst sind. Die Erfindung betrifft auch eine Kompressionseinrichtung zur Verwendung in einem solchen Zellstapelpaket.The invention relates to a cell stack package, comprising a cell stack with a plurality of electrochemical cells and a compression device by means of which the cells are pressed against one another. The invention also relates to a compression device for use in such a cell stack package.

Elektrochemische Zellen spielen heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eine wichtige Rolle. Ein Beispiel sind Redox-Flow-Batterien, in denen elektrochemische Zellen (sog. Redox-Flow-Zellen) als Energiewandlereinheit für einen Lade- oder Entladeprozess der Redox-Flow-Batterie dienen. Im Konkreten sind Redox-Flow-Batterien 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 der vorstehend erwähnten elektrochemischen Zelle für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt.Electrochemical cells now play an important role in a variety of application areas. One example is redox flow batteries, in which electrochemical cells (so-called redox flow cells) serve as an energy conversion unit for a charging or discharging process of the redox flow battery. Specifically, 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 the electrochemical cell mentioned above for the charging or discharging process.

Eine Redox-Flow-Batterie umfasst üblicherweise eine Vielzahl von baugleichen Zellen, welche fluidisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Zellen sind in der Regel zu einem Stapel, dem sog. Zellstapel oder Zellstack, zusammengefügt. Zur elektrischen Verbindung der Einzelzellen untereinander ist zwischen zwei Einzelzellen üblicherweise eine sogenannte Bipolarplatte angeordnet. Darüber hinaus kann der Zellstapel Dichtungselemente, z.B. in Form von Flachdichtungen, umfassen, um den Zellstapel sowohl intern als auch extern abzudichten.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 usually put together to form a stack, the so-called cell stack. To electrically connect the individual cells to one another, a so-called bipolar plate is usually arranged between two individual cells. In addition, the cell stack can include sealing elements, for example in the form of flat gaskets, to seal the cell stack both internally and externally.

Die Zellen umfassen jeweils zwei Halbzellen, welche durch eine ionenleitende Membranschicht voneinander getrennt sind. In den Halbzellen werden die redox-aktiven Materialien oxidiert bzw. reduziert, wobei beim Entladeprozess chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und beim Ladeprozess elektrische Energie in chemische Energie zurück umgewandelt wird. Die Halbzellen können jeweils einen Flussrahmen und eine Elektrode umfassen. Die Elektrode ist üblicherweise in einer Rahmenöffnung des Flussrahmens angeordnet. Die Rahmenöffnung definiert insofern die eigentliche Wirkfläche der Halbzelle, also den aktiven Bereich, in dem die elektrochemischen Prozesse ablaufen.The cells each comprise two half cells, which are separated from each other by an ion-conducting membrane layer. The redox-active materials are oxidized or reduced in the half cells, with chemical energy being converted into electrical energy during the discharging process and electrical energy being converted back into chemical energy during the charging process. The half cells can each include a flow frame and an electrode. The electrode is usually arranged in a frame opening of the flow frame. The frame opening defines the actual effective area of the half cell, i.e. the active area in which the electrochemical processes take place.

Um eine ausreichende elektrische Kontaktierung zwischen den Einzelzellen zu gewährleisten und den Zellstapel sowohl intern als auch extern abzudichten, werden die Zellen üblicherweise durch eine Kompressionseinrichtung (auch Spanneinrichtung oder Verspannsystem genannt) gegeneinander verpresst und der Zellstapel insofern in einem komprimierten Zustand gehalten. Zu diesem Zweck sind beispielsweise Endplattensysteme bekannt, bei denen der Zellstapel zwischen zwei Endplatten angeordnet ist, welche über außenliegende Federelemente gegeneinander verspannt werden. Die Federelemente sind hierbei üblicherweise in den Eckbereichen der Endplatten angeordnet. Solche Verspannsysteme haben jedoch den Nachteil, dass sich die Endplatten durch die Krafteinwirkung verformen können, was eine Spannwirkung beeinträchtigt kann. Um dem entgegenzuwirken, wurden, bspw. in der DE10392584T5 , Endplatten vorgeschlagen, die entsprechend einer zu erwartenden Verbiegung vorgeformt sind, sodass im verspannten Zustand ein auf den Zellstapel wirkender Druck im Wesentlichen konstant ist. Solche Endplatten sind jedoch in der Regel nur mit hohem Aufwand herstellbar. Es sind auch Ausgestaltungen bekannt, bei denen in das Endplattensystem ein Druckkissen integriert ist, welches z.B. mit Druckluft oder Hydrauliköl beaufschlagbar ist, um eine gleichmäßige Verpressung des Zellstapels zu erzielen. Solche Systeme sind jedoch oftmals komplex aufgebaut und bergen das Risiko, dass es bei einem Druckausfall zu Fehlfunktionen oder Undichtigkeiten im Zellstapel kommt.In order to ensure sufficient electrical contact between the individual cells and to seal the cell stack both internally and externally, the cells are usually pressed against each other by a compression device (also called a clamping device or clamping system) and the cell stack is thus kept in a compressed state. For this purpose, for example, end plate systems are known in which the cell stack is arranged between two end plates, which are braced against one another via external spring elements. The spring elements are usually arranged in the corner regions of the end plates. However, such clamping systems have the disadvantage that the end plates can deform due to the force, which can impair the clamping effect. To counteract this, for example in the DE10392584T5 , End plates are proposed, which are preformed according to an expected bending, so that in the clamped state a pressure acting on the cell stack is essentially constant. However, such end plates can usually only be produced with great effort. There are also known designs in which a pressure cushion is integrated into the end plate system, which can be acted upon, for example, with compressed air or hydraulic oil in order to achieve uniform compression of the cell stack. However, such systems often have a complex structure and carry the risk of malfunctions or leaks in the cell stack in the event of a pressure failure.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine Kompression des Zellstapels zu verbessern.The present invention is concerned with the task of improving compression of the cell stack.

Diese Aufgabe wird durch ein Zellstapelpaket mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is solved by a cell stack package with the features of claim 1.

Das Zellstapelpaket umfasst einen Zellstapel, welcher eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen aufweist. Insbesondere handelt es sich bei den elektrochemischen Zellen um Redox-Flow-Zellen. Die elektrochemischen Zellen sind entlang einer Stapelachse aufeinandergestapelt. Die Zellen bilden insofern Wiederholungseinheiten des Zellstapels. Die Zellen weisen jeweils eine Stapel-Querschnittsfläche orthogonal zur Stapelachse auf. Die Zellen weisen insofern jeweils eine flächige Ausdehnung orthogonal zu der Stapelachse auf. Somit weist auch der Zellstapel eine Stapel-Querschnittsfläche orthogonal zur Stapelachse auf.The cell stack package includes a cell stack which has a plurality of electrochemical cells. In particular, the electrochemical cells are redox flow cells. The electrochemical cells are stacked on top of each other along a stacking axis. In this respect, the cells form repeating units of the cell stack. The cells each have a stack cross-sectional area orthogonal to the stack axis. In this respect, the cells each have a flat extent orthogonal to the stack axis. The cell stack therefore also has a stack cross-sectional area orthogonal to the stack axis.

Das Zellstapelpaket umfasst außerdem eine Kompressionseinrichtung (auch Verspanneinrichtung genannt), mittels welcher die Zellen entlang der Stapelachse gegeneinander verpresst bzw. verspannt sind. Insofern ist der Zellstapel durch die Kompressionseinrichtung insbesondere in einem entlang der Stapelachse komprimierten Zustand gehalten, vorzugsweise derart, dass benachbarte Zellen in dem Zellstapel miteinander in elektrischem Kontakt sind und gegeneinander abgedichtet sind.The cell stack package also includes a compression device (also called a clamping device), by means of which the cells are pressed or clamped against one another along the stack axis. In this respect, the cell stack is held by the compression device in particular in a state compressed along the stack axis, preferably in such a way that adjacent cells in the cell stack are in electrical contact with one another and are sealed against one another.

Die Kompressionseinrichtung umfasst eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte. Die Endplatten können beispielsweise aus Metall oder einem Kunststoff gefertigt sein. Der Zellstapel ist zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet. Insbesondere ist die erste Endplatte an einem ersten Ende des Zellstapels entlang der Stapelachse angeordnet und die zweite Endplatte ist an einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Zellstapels angeordnet.The compression device includes a first end plate and a second end plate. The end plates can be made of metal or a plastic, for example. The cell stack is arranged between the first end plate and the second end plate. In particular, the first end plate is arranged at a first end of the cell stack along the stack axis and the second end plate is arranged at an opposite second end of the cell stack.

Die Kompressionseinrichtung umfasst außerdem eine Federeinrichtung zur Bereitstellung einer Federkraftwirkung auf den Zellstapel. Die Federeinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, eine Federkraftwirkung entlang der Stapelachse bereitzustellen. Die Federeinrichtung ist zwischen der ersten Endplatte und dem Zellstapel angeordnet. Insbesondere ist die Kompressionseinrichtung derart ausgebildet, dass zwischen Federeinrichtung und Zellstapel keine weitere Kraftverteilerplatte angeordnet ist. Es ist jedoch auch eine weitere Platte, bspw. Isolierplatte, denkbar. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Endplatte in einem Abstand entlang der Stapelachse derart angeordnet, dass der Zellstapel durch die Federkraftwirkung der Federeinrichtung in einem komprimierten Zustand gehalten ist. Insofern ist die Federeinrichtung insbesondere in einem gespannten Zustand zwischen dem Zellstapel und der ersten Endplatte gehalten.The compression device also includes a spring device for providing a spring force effect on the cell stack. The spring device is designed in particular to provide a spring force effect along the stack axis. The spring device is arranged between the first end plate and the cell stack. In particular, the compression device is designed such that no further force distribution plate is arranged between the spring device and the cell stack. However, another plate, for example an insulating plate, is also conceivable. Preferably, the first and second end plates are arranged at a distance along the stack axis such that the cell stack is held in a compressed state by the spring force action of the spring device. In this respect, the spring device is held in particular in a tensioned state between the cell stack and the first end plate.

Die Federeinrichtung umfasst eine Mehrzahl von Federn oder Federstapeln (umfassend eine Mehrzahl von, insbesondere entlang der Stapelachse, aufeinandergestapelten Federn). Insbesondere kann es sich bei den Federn um Druckfedern, Tellerfedern, oder Elastomer-Federn handeln. Vorzugsweise sind die Federn oder Federstapel derart ausgerichtet, dass eine jeweilige Federkraft entlang der Stapelachse wirkt.The spring device comprises a plurality of springs or spring stacks (comprising a plurality of springs stacked on one another, in particular along the stack axis). In particular, the springs can be compression springs, disc springs, or elastomer springs. Preferably, the springs or spring stacks are aligned such that a respective spring force acts along the stack axis.

Die Federn oder Federstapel sind über die Stapel-Querschnittsfläche verteilt angeordnet. Insofern sind die Federn oder Federstapel in einer Ebene orthogonal zu der Stapelachse und insbesondere innerhalb einer Erstreckung des Zellstapels orthogonal zu der Stapelachse verteilt angeordnet.The springs or spring stacks are arranged distributed over the stack cross-sectional area. In this respect, the springs or spring stacks are arranged distributed in a plane orthogonal to the stack axis and in particular within an extension of the cell stack orthogonal to the stack axis.

Bei dem vorgeschlagenen Zellstapelpaket ist der Zellstapel insofern über ein Endplattensystem mit Federeinrichtung verspannt. Die Federeinrichtung ermöglicht es insbesondere, Veränderungen der Materialien der Zellen (z.B. in Folge von Wärmeausdehnung oder plastischer Verformung durch Setzen) auszugleichen, sodass ein Kompressionsdruck auf den Zellstapel während des Betriebs des Zellstapelpakets zumindest annähernd konstant gehalten werden kann. Dadurch, dass die Federeinrichtung zwischen der ersten Endplatte und dem Zellstapel angeordnet ist, wird eine Federkraftwirkung der Federeinrichtung insofern nicht wie im Stand der Technik üblich über die erste Endplatte auf den Zellstapel übertragen. Dies ermöglicht es, die auf den Zellstapel wirkenden Kompressionskräfte an unterschiedliche Anforderungen in unterschiedlichen Bereichen der Stapel-Querschnittsfläche flexibel anzupassen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Verteilung der Federn oder Federstapel entlang der Stapel-Querschnittsfläche erfolgen und/oder durch Verwendung unterschiedlicher Federn oder Federstapel (siehe unten). Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Federeinrichtung kann zudem eine Verformung der Endplatten minimiert werden oder zumindest eine lokal inhomogene Verformung der Endplatte oder des Zellstapels (bspw. in unterschiedlichen Abschnitten der Stapel-Querschnittsfläche) kompensiert werden. Außerdem kann eine unterschiedliche thermische Ausdehnung oder ein unterschiedliches Setzungsverhalten der Zellen in unterschiedlichen Abschnitten der Stapel-Querschnittsfläche durch entsprechende Anpassung der Federn bzw. Federstapel kompensiert werden.In the proposed cell stack package, the cell stack is braced via an end plate system with a spring device. The spring device makes it possible, in particular, to compensate for changes in the materials of the cells (e.g. as a result of thermal expansion or plastic deformation due to settling), so that a compression pressure on the cell stack can be kept at least approximately constant during operation of the cell stack package. Because the spring device is arranged between the first end plate and the cell stack, a spring force effect of the spring device is not transmitted to the cell stack via the first end plate, as is usual in the prior art. This makes it possible to flexibly adapt the compression forces acting on the cell stack to different requirements in different areas of the stack cross-sectional area. This can be done, for example, by appropriately distributing the springs or spring stacks along the stack cross-sectional area and/or by using different springs or spring stacks (see below). The proposed design of the spring device can also minimize deformation of the end plates or at least compensate for locally inhomogeneous deformation of the end plate or the cell stack (e.g. in different sections of the stack cross-sectional area). In addition, different thermal expansion or different settlement behavior of the cells in different sections of the stack cross-sectional area can be compensated for by appropriate adjustment of the springs or spring stacks.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Kompressionseinrichtung außerdem eine weitere Federeinrichtung umfassen, welche zwischen der zweiten Endplatte und dem Zellstapel angeordnet. Die weitere Federeinrichtung ist vorzugsweise analog zu der zwischen erster Endplatte und Zellstapel angeordneten Federeinrichtung ausgebildet. Insofern können die vorstehend und nachfolgend in Bezug auf die zwischen erster Endplatte und Zellstapel angeordnete Federeinrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile auch zur Ausgestaltung der weiteren Federeinrichtung zwischen zweiter Endplatte und Zellstapel dienen.As part of an advantageous development, the compression device can also comprise a further spring device, which is arranged between the second end plate and the cell stack. The further spring device is preferably designed analogously to the spring device arranged between the first end plate and the cell stack. In this respect, the features and advantages described above and below with respect to the spring device arranged between the first end plate and the cell stack can also serve to design the further spring device between the second end plate and the cell stack.

In vorteilhafter Weise kann die erste Endplatte entsprechende Federaufnahmen zur Aufnahme der Federn oder Federstapel aufweisen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die erste Endplatte eine Mehrzahl von Führungsöffnungen oder Führungsbohrungen zur Aufnahme der Federn oder Federstapel aufweist. Dies ermöglicht es, die Federn oder Federstapel positionsgenau zu platzieren und eine Kompressionsbewegung der Federn oder Federstapel zu führen. Die Federn oder Federstapel können wiederholbar lösbar in den Federaufnahmen aufgenommen sein, bspw. lose in die Federaufnahmen eingesetzt sein. Dies ermöglicht es, die Federn oder Federstapel auf einfache Weise auszutauschen (bspw. bei Verschleiß) oder eine Anordnung der Federn nach einem initialen Einbau noch einmal zu verändern. Es ist auch denkbar, dass die Federn bzw. Federstapel mit der ersten Endplatte zu einer Baueinheit verbunden sind, vorzugsweise zerstörungsfrei wiederholbar lösbar. Eine solche Ausgestaltung erleichtert den Aufbau des Zellstapelpakets, da die erste Endplatte dann gemeinsam mit der Federeinrichtung als Baueinheit gehandhabt werden kann. Bei Ausgestaltungen mit einer weiteren Federeinrichtung zwischen der zweiten Endplatte und dem Zellstapel kann dann die zweite Endplatte entsprechend ausgebildet sein.Advantageously, the first end plate can have corresponding spring receptacles for receiving the springs or spring stacks. For example, it is conceivable that the first end plate has a plurality of guide openings or guide bores for receiving the springs or spring stacks. This makes it possible to place the springs or spring stacks in a precise position and to carry out a compression movement of the springs or spring stacks. The springs or spring stacks can be repeatedly and detachably accommodated in the spring receptacles, for example, they can be loosely inserted into the spring receptacles. This makes it possible to easily replace the springs or spring stacks (e.g. in the event of wear) or to change the arrangement of the springs again after initial installation. It is also conceivable that the springs or spring stacks are connected to the first end plate to form a structural unit, preferably detachable in a repeatable, non-destructive manner. Such a configuration facilitates the construction of the cell stack package, since the first end plate can then be handled together with the spring device as a structural unit can. In embodiments with a further spring device between the second end plate and the cell stack, the second end plate can then be designed accordingly.

Im Rahmen einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch möglich, dass zwischen der ersten Endplatte und der Federeinrichtung eine von der ersten Endplatte separat bereitgestellte Führungsplatte zur Aufnahme der Federn oder Federstapel vorgesehen ist. Insbesondere kann die Führungsplatte die vorstehend genannten Federaufnahmen zur Aufnahme der Federn oder Federstapel aufweisen. Im Übrigen wird auf die vorstehend im Zusammenhang mit der ersten Endplatte beschriebenen Vorteile und Merkmale der Federaufnahmen verwiesen.As part of an alternative advantageous embodiment, it is also possible for a guide plate, provided separately from the first end plate, to accommodate the springs or spring stacks to be provided between the first end plate and the spring device. In particular, the guide plate can have the above-mentioned spring receptacles for receiving the springs or spring stacks. Furthermore, reference is made to the advantages and features of the spring receptacles described above in connection with the first end plate.

Wie vorstehend erläutert, ermöglicht es die vorgeschlagene Federeinrichtung, eine auf den Zellstapel wirkende Federkraft entsprechend der lokalen Anforderungen anzupassen. Im Konkreten kann die Federeinrichtung derart ausgebildet sein, dass eine Federkraftwirkung auf den Zellstapel in einem ersten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche und eine Federkraftwirkung auf den Zellstapel in einem zweiten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche unterschiedlich sind. Beispielsweise kann eine Federkraftwirkung auf den Zellstapel in einem ersten Flächenabschnitt kleiner sein als in einem zweiten Flächenabschnitt. Insbesondere können der erste Flächenabschnitt und der zweite Flächenabschnitt die Stapel-Querschnittsfläche bilden. Beispielsweise kann die Federeinrichtung derart ausgebildet sein, dass in einem ersten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche und in einem zweiten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche unterschiedliche Kompressionskräfte auf den Zellstapel wirken und/oder eine Kompressionskraft auf eine unterschiedliche Anzahl von Lasteinleitungspunkte verteilt ist.As explained above, the proposed spring device makes it possible to adapt a spring force acting on the cell stack according to local requirements. Specifically, the spring device can be designed such that a spring force effect on the cell stack in a first surface section of the stack cross-sectional area and a spring force effect on the cell stack in a second surface section of the stack cross-sectional area are different. For example, a spring force effect on the cell stack can be smaller in a first surface section than in a second surface section. In particular, the first surface section and the second surface section can form the stack cross-sectional surface. For example, the spring device can be designed in such a way that different compression forces act on the cell stack in a first surface section of the stack cross-sectional area and in a second surface section of the stack cross-sectional area and/or a compression force is distributed over a different number of load introduction points.

Bei dem ersten Flächenabschnitt kann es sich insbesondere um einen mittigen Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche handeln, welcher von dem zweiten Flächenabschnitt eingeschlossen ist. Insofern kann der zweite Flächenabschnitt den ersten Flächenabschnitt rahmenartig umlaufen. Die Federeinrichtung kann insofern derart ausgebildet sein, dass eine in der Mitte der Stapel-Querschnittsfläche auf den Zellstapel wirkende Federkraft bzw. Kompressionskraft und eine in einem Randbereich der Stapel-Querschnittsfläche auf den Zellstapel wirkende Federkraft bzw. Kompressionskraft unterschiedlich sind.The first surface section can in particular be a central surface section of the stack cross-sectional area, which is enclosed by the second surface section. In this respect, the second surface section can run around the first surface section like a frame. The spring device can be designed in such a way that a spring force or compression force acting on the cell stack in the middle of the stack cross-sectional area and a spring force or compression force acting on the cell stack in an edge region of the stack cross-sectional area are different.

Insbesondere können der erste Flächenabschnitt und der zweite Flächenabschnitt mit ausgewählten Funktionsbereichen der Zellen korrelieren. Beispielsweise können die Zellen entlang der Stapelachse betrachtet eine, insbesondere mittige, Wirkfläche und eine, insbesondere die Wirkfläche einschließende, Dichtfläche aufweisen. Die Wirkfläche kann dann einen ersten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche bilden und die Dichtfläche kann einen zweiten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche bilden. Die Wirkfläche kann insbesondere dadurch charakterisiert sein, dass innerhalb der Wirkfläche die elektrochemischen Reaktionen der Zelle ablaufen. Die Wirkfläche bildet insofern den aktiven Bereich der Zelle. Die Dichtfläche definiert insbesondere einen Flächenbereich der Zelle, in dem eine Abdichtung benachbarter Zellen bzw. Halbzellen in dem Zellstapel erfolgt. Insbesondere kann der Zellstapel bzw. die Zellen im Bereich der Dichtfläche ein Dichtungselement aufweisen, z.B. in Form von O-Ringen, Flachdichtungen, und/oder strukturierten Dichtungen.In particular, the first surface section and the second surface section can correlate with selected functional areas of the cells. For example, viewed along the stack axis, the cells can have an active surface, in particular in the middle, and a sealing surface, in particular enclosing the active surface. The active surface can then form a first surface section of the stack cross-sectional area and the sealing surface can form a second surface section of the stack cross-sectional area. The effective area can be characterized in particular by the fact that the electrochemical reactions of the cell take place within the effective area. The effective area therefore forms the active area of the cell. The sealing surface defines in particular a surface area of the cell in which adjacent cells or half-cells in the cell stack are sealed. In particular, the cell stack or cells can have a sealing element in the area of the sealing surface, for example in the form of O-rings, flat seals, and/or structured seals.

Die Erfindung betrifft insbesondere den Bereich der Redox-Flow-Batterien. Insofern handelt es sich bei den Zellen vorzugsweise um Redox-Flow-Zellen. Im Konkreten können die Zellen jeweils zumindest einen Flussrahmen aufweisen, welcher eine zentrale Rahmenöffnung umgrenzt. Der Flussrahmen weist insbesondere eine flächige Erstreckung orthogonal zu der Stapelachse auf. Insbesondere stellt der Flussrahmen eine Dichtfläche zur Abdichtung benachbarter Halbzellen bereit. Beispielsweise kann der Flussrahmen entsprechende Anlagebereiche zur Anordnung von Dichtungselementen, z.B. O-Ringe oder Flachdichtungen, aufweisen. Die Rahmenöffnung definiert vorzugsweise die eigentliche Wirkfläche der Zelle bzw. Halbzelle. Wie eingangs erläutert, kann in der Rahmenöffnung eine Elektrode, beispielsweise eine Filz-Elektrode, angeordnet sein. Vorzugsweise umfassen die Zellen jeweils zwei solcher Flussrahmen und Elektroden (je eine/n pro Halbzelle), zwischen denen eine Membranschicht angeordnet ist. Darüber hinaus kann zwischen den einzelnen Zellen des Zellstapels jeweils eine Bipolarplatte angeordnet sein, welche dazu ausgebildet ist, benachbarte Zellen miteinander elektrisch zu verbinden und fluidisch zu trennen.The invention relates in particular to the area of redox flow batteries. In this respect, the cells are preferably redox flow cells. Specifically, the cells can each have at least one flow frame, which delimits a central frame opening. The flow frame in particular has a flat extension orthogonal to the stack axis. In particular, the flow frame provides a sealing surface for sealing adjacent half cells. For example, the flow frame can have corresponding contact areas for arranging sealing elements, e.g. O-rings or flat gaskets. The frame opening preferably defines the actual effective area of the cell or half-cell. As explained at the beginning, an electrode, for example a felt electrode, can be arranged in the frame opening. The cells preferably each comprise two such flow frames and electrodes (one per half cell), between which a membrane layer is arranged. In addition, a bipolar plate can be arranged between the individual cells of the cell stack, which is designed to electrically connect adjacent cells to one another and to fluidly separate them.

Die Rahmenöffnung des Flussrahmens (bzw. Position und Abmessung der Rahmenöffnung) kann dann den ersten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche definieren und der Flussrahmen (bzw. Position und Abmessung des Flussrahmens) kann den zweiten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche definieren.The frame opening of the flow frame (or position and dimension of the frame opening) can then define the first surface section of the stack cross-sectional area and the flow frame (or position and dimension of the flow frame) can define the second surface section of the stack cross-sectional area.

Im Rahmen der Erfindung wurde nun erkannt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn im Bereich der Wirkfläche (bzw. im Bereich der Rahmenöffnung oder der Elektrode) und im Bereich der Dichtungsfläche (bzw. im Bereich des Flussrahmens) unterschiedliche Kompressionskräfte auf den Zellstapel wirken. Auf diese Weise kann eine für die jeweilige Aufgabe (elektrische Kontaktierung im Bereich der Wirkfläche und fluidische Abdichtung im Bereich der Dichtfläche) optimale Kraftverteilung bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere wichtig, da in den einzelnen Funktionsbereichen regelmäßig Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn die Federeinrichtung derart ausgebildet ist, dass im Bereich der Wirkfläche (z.B. Rahmenöffnung mit Elektrode) eine Federkraftwirkung bzw. eine Kompressionskraft auf den Zellstapel derart groß ist, dass ein elektrischer Kontakt zwischen benachbarten Zellen hergestellt ist (insbesondere eine jeweilige Elektrode in elektrischem Kontakt mit einer benachbarten Bipolarplatte ist), eine Beschädigung der Membranschicht aber vermieden wird. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Federeinrichtung derart ausgebildet ist, dass im Bereich der Dichtfläche (z.B. im Bereich des Flussrahmens und/oder der optional vorgesehenen Dichtungselemente) eine Federkraftwirkung bzw. eine Kompressionskraft auf den Zellstapel derart groß ist, dass der Flussrahmen und/oder optional vorgesehene Dichtelemente ausreichend komprimiert werden, um die Zellen intern und extern abzudichten.In the context of the invention, it has now been recognized that it can be advantageous if different compression forces act on the cell stack in the area of the active surface (or in the area of the frame opening or the electrode) and in the area of the sealing surface (or in the area of the flow frame). In this way one can for the Optimal force distribution can be provided for the respective task (electrical contact in the area of the effective surface and fluid sealing in the area of the sealing surface). This is particularly important because materials with different mechanical properties are regularly used in the individual functional areas. For example, it can be advantageous if the spring device is designed such that in the area of the active surface (e.g. frame opening with electrode) a spring force effect or a compression force on the cell stack is so large that electrical contact is established between adjacent cells (in particular a respective one Electrode is in electrical contact with an adjacent bipolar plate), but damage to the membrane layer is avoided. In addition, it can be advantageous if the spring device is designed such that in the area of the sealing surface (e.g. in the area of the flow frame and/or the optionally provided sealing elements) a spring force effect or a compression force on the cell stack is so large that the flow frame and/or or optionally provided sealing elements are sufficiently compressed to seal the cells internally and externally.

Um eine unterschiedliche Kompressionskraft in verschiedenen Bereichen der Stapel-Querschnittsfläche zu erzielen, ist es beispielsweise denkbar, dass eine Federdichte oder Federstapeldichte (d.h. eine Anzahl an Federn bzw. Federstapeln pro Flächeneinheit) über die Stapel-Querschnittsfläche variiert. Insbesondere können die Federn oder Federstapel derart angeordnet sein, dass eine Federdichte oder Federstapeldichte in dem ersten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche (z.B. Wirkfläche oder Rahmenöffnung) und eine Federdichte oder Federstapeldichte in dem zweiten Flächenabschnitt (z.B. Dichtfläche oder Flussrahmen) der Stapel-Querschnittsfläche unterschiedlich sind. Insbesondere können die Federn oder Federstapel dann untereinander gleich ausgebildet.In order to achieve a different compression force in different areas of the stack cross-sectional area, it is conceivable, for example, that a spring density or spring stack density (i.e. a number of springs or spring stacks per unit area) varies over the stack cross-sectional area. In particular, the springs or spring stacks can be arranged such that a spring density or spring stack density in the first surface section of the stack cross-sectional area (e.g. active surface or frame opening) and a spring density or spring stack density in the second surface section (e.g. sealing surface or flow frame) of the stack cross-sectional area are different . In particular, the springs or spring stacks can then be designed to be identical to one another.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Federeinrichtung derart ausgebildet sein, dass eine Federdichte oder Federstapeldichte in dem zweiten Flächenabschnitt größer ist als in dem ersten Flächenabschnitt. Bei einer vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Zellen mit Dichtfläche (bspw. Flussrahmen) und Wirkfläche (bspw. Rahmenöffnung mit Elektrode) kann die Federeinrichtung insofern derart ausgebildet sein, dass im Bereich der Dichtfläche eine Federdichte oder Federstapeldichte größer ist als im Bereich der Wirkfläche.As part of an advantageous embodiment, the spring device can be designed such that a spring density or spring stack density in the second surface section is greater than in the first surface section. In a design of the cells described above with a sealing surface (e.g. flow frame) and active surface (e.g. frame opening with electrode), the spring device can be designed such that a spring density or spring stack density is greater in the area of the sealing surface than in the area of the active surface.

Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass in unterschiedlichen Abschnitten der Stapel-Querschnittsfläche unterschiedliche Arten von Federn vorgesehen sind. Im Konkreten kann die Federeinrichtung derart ausgebildet sein, dass in dem ersten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche eine erste Art von Federn oder Federstapeln vorgesehen ist und in dem zweiten Flächenabschnitt der Stapel-Querschnittsfläche eine zweite Art von Federn oder Federstapeln vorgesehen ist, wobei sich die erste Art von der zweiten Art unterscheidet, insbesondere in der jeweils bereitgestellten Federkraft, einer Längserstreckung entlang der Stapelachse, und/oder einer Anzahl von Federwindungen. Es ist denkbar, dass dann eine Federdichte oder Federstapeldichte über die gesamte Stapel-Querschnittsfläche konstant ist. Es ist auch denkbar, dass zusätzlich zu einer unterschiedlichen Art der Federn oder Federstapel auch eine Federdichte bzw. Federstapeldichte unterschiedlich ist.Additionally or alternatively, it is also possible for different types of springs to be provided in different sections of the stack cross-sectional area. Specifically, the spring device can be designed such that a first type of springs or spring stacks is provided in the first surface section of the stack cross-sectional area and a second type of springs or spring stacks is provided in the second surface section of the stack cross-sectional area, the first Type differs from the second type, in particular in the spring force provided, a longitudinal extent along the stack axis, and / or a number of spring coils. It is conceivable that a spring density or spring stack density is then constant over the entire stack cross-sectional area. It is also conceivable that, in addition to a different type of springs or spring stacks, a spring density or spring stack density is also different.

Es ist außerdem denkbar, dass gleichartige Federn vorgesehen sind, aber zumindest für eine Teilmenge der Federn jeweils ein Distanzstück zwischen erster Endplatte und Feder oder zwischen Feder und Zellstapel vorgesehen ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass in den vorstehend erwähnten Federaufnahmen entsprechende Einleger mit angeordnet sind. Durch Anpassung der Dicke der Distanzstücke bspw. Einleger kann bei festem Abstand der ersten und der zweiten Endplatte ein Kompressionsgrad der Federn und somit eine Federkraftwirkung im Zellstapelpaket angepasst werden.It is also conceivable that similar springs are provided, but for at least a subset of the springs a spacer is provided between the first end plate and the spring or between the spring and the cell stack. For example, it is conceivable that corresponding inserts are arranged in the spring receptacles mentioned above. By adjusting the thickness of the spacers, for example inserts, a degree of compression of the springs and thus a spring force effect in the cell stack package can be adjusted while the distance between the first and second end plates is fixed.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Federeinrichtung derart ausgebildet sein, dass zumindest eine Teilmenge, vorzugsweise alle, derjenigen Federn oder Federstapel, die in den ersten Flächenabschnitt angeordnet sind, jeweils eine geringere Federkraft bereitstellen bzw. aufweisen, als Federn oder Federstapel, insbesondere alle Federn oder Federstapel, die in dem zweiten Flächenabschnitt angeordnet sind. Insofern können in dem ersten Flächenabschnitt Federn oder Federstapel mit geringerer Federkraft vorgesehen sein.As part of an advantageous embodiment, the spring device can be designed such that at least a subset, preferably all, of those springs or spring stacks that are arranged in the first surface section each provide or have a lower spring force than springs or spring stacks, in particular all springs or spring stacks arranged in the second surface section. In this respect, springs or spring stacks with lower spring force can be provided in the first surface section.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kompressionseinrichtung eine Linearführungseinrichtung zur Führung einer axialen Verschiebebewegung der ersten und/oder der zweiten Endplatte entlang der Stapelachse umfasst. Dies ermöglicht es, während des Zusammenbaus des Zellstapelpakets die erste und die zweite Endplatte kontrolliert aufeinander zuzubewegen und somit den Zellstapel zu komprimieren. Die Linearführungseinrichtung kann insbesondere Führungsbolzen, bspw.in Form von Zugankern, umfassen, welche sich entlang der Stapelachse von der ersten Endplatte zu der zweiten Endplatte erstrecken, vorzugsweise die erste und/oder die zweite Endplatte durchsetzen.An advantageous development provides that the compression device comprises a linear guide device for guiding an axial displacement movement of the first and/or the second end plate along the stack axis. This makes it possible to move the first and second end plates towards each other in a controlled manner during assembly of the cell stack package and thus compress the cell stack. The linear guide device can in particular comprise guide bolts, for example in the form of tie rods, which extend along the stack axis from the first end plate to the second end plate, preferably passing through the first and/or the second end plate.

Beim Zusammenbau des Zellstapels können dann die erste und die zweite Endplatte gegeneinander verspannt werden, indem die erste und die zweite Endplatte, bspw. durch eine Presse, aufeinander zu bewegt werden, insbesondere bis eine vordefinierte Kompressionskraft auf den Zellstapel wirkt. Um den Zellstapel dauerhaft in dem komprimierten Zustand zu halten, kann die Kompressionseinrichtung dann außerdem eine Feststelleinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, einen axialen Verschiebeweg der ersten und der zweiten Endplatte voneinander weg entlang der Stapelachse zu begrenzen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Führungsbolzen einen Gewindeabschnitt umfassen oder als Gewindestangen ausgebildet sind und die Feststelleinrichtung eine oder mehrere mit dem Gewindeabschnitt zusammenwirkende Schraubenmuttern oder Klemmen umfasst.When assembling the cell stack, the first and second end plates can then be clamped against each other by moving the first and second end plates towards one another, for example by a press, in particular until a predefined compression force acts on the cell stack. In order to keep the cell stack permanently in the compressed state, the compression device can then also comprise a locking device which is designed to limit an axial displacement path of the first and second end plates away from one another along the stack axis. For example, it is conceivable that the guide bolts comprise a threaded section or are designed as threaded rods and the locking device comprises one or more screw nuts or clamps that interact with the threaded section.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch eine Kompressionseinrichtung zur Verwendung in einem vorstehend beschriebenen Zellstapelpaket gelöst. Die Kompressionseinrichtung umfasst eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte und eine Federeinrichtung zur Bereitstellung einer Federkraft. Die Federeinrichtung ist zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet. Die vorstehend in Bezug auf das Zellstapelpaket beschriebenen vorteilhaften Merkmale und Vorteile der Kompressionseinrichtung können auch zur Ausgestaltung der Kompressionseinrichtung als solche dienen, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Offenbarung hierzu verwiesen wird.The above-mentioned object is also achieved by a compression device for use in a cell stack package described above. The compression device includes a first end plate, a second end plate and a spring device for providing a spring force. The spring device is arranged between the first end plate and the second end plate. The advantageous features and advantages of the compression device described above with regard to the cell stack package can also be used to design the compression device as such, so that reference is made to the above disclosure in this regard to avoid repetition.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Zellstapelpakets;
2 vereinfachte schematische Schnittansicht des Zellstapelpakets gemäß 1 entlang der in 1 eingezeichneten Schnittebene II-II.
3a vereinfachte schematische Darstellung einer Redox-Flow-Zelle in einer Schnittansicht;
3b vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bereiche der Redox-Flow-Zelle gemäß 3a bei Betrachtung entlang der Stapelachse;
4 vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausgestaltung der Federeinrichtung bei Betrachtung entlang der Stapelachse;
5 vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausgestaltung der Federeinrichtung bei Betrachtung entlang der Stapelachse; und
6 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Zellstapelpakets.

The invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show it:

1 simplified schematic representation of an embodiment of a cell stack package;
2 simplified schematic sectional view of the cell stack package according to 1 along the in 1 drawn section plane II-II.
3a simplified schematic representation of a redox flow cell in a sectional view;
3b simplified schematic representation to explain various areas of the redox flow cell 3a when viewed along the stack axis;
4 simplified schematic representation to explain an embodiment of the spring device when viewed along the stack axis;
5 simplified schematic representation to explain a further embodiment of the spring device when viewed along the stack axis; and
6 simplified schematic representation of a further embodiment of a cell stack package.

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 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein Zellstapelpaket, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist.The 1 shows a simplified schematic representation of a cell stack package, which is designated overall by the reference number 10.

Das Zellstapelpaket 10 umfasst einen Zellstapel 12, welcher eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 14 (im Folgenden lediglich Zellen 14 genannt) umfasst. Die Zellen 14 sind entlang einer Stapelachse 16 aufeinandergestapelt. Die Zellen 14 sind vorzugsweise zueinander identisch ausgebildet. Wie nachfolgend noch im Detail erläutert, handelt es sich bei den Zellen 14 beispielhaft um Redox-Flow-Zellen 14. Insofern handelt es sich bei dem Zellstapel 12 um einen Redox-Flow-Stapel 12 oder Redox-Flow-Stack 12.The cell stack package 10 includes a cell stack 12, which includes a plurality of electrochemical cells 14 (hereinafter simply referred to as cells 14). The cells 14 are stacked on top of one another along a stacking axis 16. The cells 14 are preferably designed to be identical to one another. As explained in detail below, the cells 14 are, for example, redox flow cells 14. In this respect, the cell stack 12 is a redox flow stack 12 or redox flow stack 12.

Wie in 2 schematisch dargestellt, erstrecken sich die Zellen 14 jeweils über eine Zellfläche 18 in einer Ebene orthogonal zu der Stapelachse 16. Mit anderen Worten überdecken die Zellen 14 jeweils eine Stapel-Querschnittsfläche 20 orthogonal zu der Stapelachse 16.As in 2 Shown schematically, the cells 14 each extend over a cell area 18 in a plane orthogonal to the stack axis 16. In other words, the cells 14 each cover a stack cross-sectional area 20 orthogonal to the stack axis 16.

Das Zellstapelpaket 10 umfasst außerdem eine Kompressionseinrichtung 22 (Verspanneinrichtung 22), mittels welcher der Zellstapel 12 in einem komprimierten Zustand entlang der Stapelachse 16 gehalten ist. Mit anderen Worten sind die Zellen 14 mittels der Kompressionseinrichtung 22 entlang der Stapelachse 16 gegeneinander verpresst.The cell stack package 10 also includes a compression device 22 (bracing device 22), by means of which the cell stack 12 is held in a compressed state along the stack axis 16. In other words, the cells 14 are pressed against each other along the stack axis 16 by means of the compression device 22.

Die Kompressionseinrichtung 22 umfasst eine erste Endplatte 24, eine zweite Endplatte 26, und eine Federeinrichtung 28 zur Bereitstellung einer Federkraftwirkung entlang der Stapelachse 16.The compression device 22 comprises a first end plate 24, a second end plate 26, and a spring device 28 for providing a spring force effect along the stack axis 16.

Wie in 1 gezeigt, ist der Zellstapel 12 zwischen der ersten Endplatte 24 und der zweiten Endplatte 26 angeordnet. Die Federeinrichtung 28 ist zwischen der ersten Endplatte 24 und dem Zellstapel 12 angeordnet.As in 1 shown, the cell stack 12 is arranged between the first end plate 24 and the second end plate 26. The spring device 28 is arranged between the first end plate 24 and the cell stack 12.

Die Federeinrichtung 28 umfasst eine Mehrzahl von Federn 30, welche über die Stapel-Querschnittsfläche 20 verteilt angeordnet sind (vgl. 1, nachfolgend noch im Detail beschrieben in Bezug auf die 4 und 5). Bei den Federn 30 kann es sich insbesondere um Druckfedern, Tellerfedern, oder Elastomer-Federn handeln. Es ist auch möglich, dass anstelle der Federn 30 entsprechende Federstapel, umfassend eine Mehrzahl von entlang der Stapelachse aufeinander gestapelten Federn, vorgesehen sind.The spring device 28 comprises a plurality of springs 30, which are arranged distributed over the stack cross-sectional area 20 (cf. 1 , described in detail below in relation to the 4 and 5 ). The springs 30 can in particular be compression springs, disc springs, or elastomer springs. It is also possible that instead of the springs 30, corresponding spring stacks, comprising a plurality of along Springs stacked on top of each other on the stacking axis are provided.

Wie vorstehend erwähnt, kann die erste Endplatte 24 entsprechende Federaufnahmen, beispielsweise in Form von Führungsbohrungen, zur Aufnahme der Federn 30 oder Federstapel aufweisen (nicht dargestellt). Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen ist es auch möglich, das zwischen der ersten Endplatte 24 und der Federeinrichtung 28 eine von der ersten Endplatte 24 separate Führungsplatte zur Aufnahme der Federn 30 oder Federstapel vorgesehen ist.As mentioned above, the first end plate 24 can have corresponding spring receptacles, for example in the form of guide bores, for receiving the springs 30 or spring stacks (not shown). In embodiments not shown, it is also possible for a guide plate separate from the first end plate 24 to accommodate the springs 30 or spring stack to be provided between the first end plate 24 and the spring device 28.

Wie in 1 schematisch angedeutet, sind die Endplatten 24, 26 in einem Abstand entlang der Stapelachse 16 derart angeordnet, dass die Federn 30 in einem gespannten Zustand zwischen Zellstapel 12 und erster Endplatte 24 gehalten sind und somit in Folge der Federkraftwirkung eine Kompressionskraft auf den Zellstapel 12 ausgeübt wird. Hierzu werden beim Zusammenbau des Zellstapels 12 insbesondere die erste und die zweite Endplatte 24, 26 gegeneinander verspannt, indem die erste und die zweite Endplatte 24, 26, bspw. durch eine Presse, aufeinander zu bewegt werden.As in 1 schematically indicated, the end plates 24, 26 are arranged at a distance along the stack axis 16 in such a way that the springs 30 are held in a tensioned state between the cell stack 12 and the first end plate 24 and thus a compression force is exerted on the cell stack 12 as a result of the spring force effect . For this purpose, when assembling the cell stack 12, in particular the first and second end plates 24, 26 are braced against one another by moving the first and second end plates 24, 26 towards one another, for example by a press.

Zu diesem Zweck umfasst die Kompressionseinrichtung beispielhaft eine Mehrzahl von Führungsbolzen 32, welche in ihrer Gesamtheit eine Linearführungseinrichtung 34 zur Führung einer axialen Verschiebebewegung der ersten und der zweiten Endplatte 24, 26 entlang der Stapelachse 16 bilden. Um eine axiale Verschiebebewegung der ersten Endplatte 24 und der zweiten Endplatte 26 voneinander weg entlang der Stapelachse 16 zu blockieren (und somit den Zellstapel 12 in einem komprimierten Zustand zu halten), umfasst die Kompressionseinrichtung 22 außerdem eine entsprechende Feststelleinrichtung 36. Im Beispiel umfasst die Feststelleinrichtung 36 Schraubenmuttern 38, welche mit entsprechenden Gewindeabschnitten (nicht dargestellt) der Führungsbolzen 32 zusammenwirken. Es ist auch möglich, dass die Führungsbolzen 32 als Gewindestangen ausgebildet sind.For this purpose, the compression device comprises, for example, a plurality of guide bolts 32, which in their entirety form a linear guide device 34 for guiding an axial displacement movement of the first and second end plates 24, 26 along the stacking axis 16. In order to block an axial displacement movement of the first end plate 24 and the second end plate 26 away from each other along the stack axis 16 (and thus keep the cell stack 12 in a compressed state), the compression device 22 also includes a corresponding locking device 36. In the example, the locking device includes 36 screw nuts 38, which interact with corresponding threaded sections (not shown) of the guide bolts 32. It is also possible for the guide bolts 32 to be designed as threaded rods.

In dem dargestellten Beispiel sind die Zellen 14 als Redox-Flow-Zellen 14 ausgebildet. Eine solche Zelle 14 ist in 3a vereinfacht schematisch dargestellt. Die Zelle 14 umfasst zwei Halbzellen 40-1, 40-2 zwischen denen eine Membranschicht 42 angeordnet ist. Wie in 3a schematisch dargestellt, ist zwischen benachbarten Zellen 14 jeweils eine Bipolarplatte 44 zur elektrischen Verbindung der Zellen 14 vorgesehen.In the example shown, the cells 14 are designed as redox flow cells 14. Such a cell 14 is in 3a presented in simplified schematic form. The cell 14 comprises two half cells 40-1, 40-2 between which a membrane layer 42 is arranged. As in 3a Shown schematically, a bipolar plate 44 is provided between adjacent cells 14 for electrically connecting the cells 14.

Jede Halbzelle 40-1, 40-2 umfasst einen Flussrahmen 46, welcher eine, im Beispiel mittige, Rahmenöffnung 48 umgrenzt. In der jeweiligen Rahmenöffnung 48 ist eine Elektrode 50, bspw. eine Filz-Elektrode, angeordnet. Die Rahmenöffnung 48 und die darin angeordnete Elektrode 50 definieren eine Wirkfläche 52 der jeweiligen Halbzelle 40-1, 40-2, also deren aktiven Bereich, in dem die elektrochemischen Prozesse ablaufen (vgl. 3B).Each half cell 40-1, 40-2 comprises a flow frame 46, which delimits a frame opening 48, in the middle in the example. An electrode 50, for example a felt electrode, is arranged in the respective frame opening 48. The frame opening 48 and the electrode 50 arranged therein define an active area 52 of the respective half cell 40-1, 40-2, i.e. its active area in which the electrochemical processes take place (cf. 3B) .

Der jeweilige Flussrahmen 46 definiert eine die Rahmenöffnung 48 einschließende Dichtfläche 54 (in 3b schematisch angedeutet). Im Konkreten Beispiel stellt der Flussrahmen 46 Aufnahmebereiche 55 zur Aufnahme von optionalen Dichtelementen 56 (bspw. in Form von O-Ringen oder Flachdichtungen) bereit. Der Flussrahmen 46 kann optional Fluidkanäle zur Zu- und Abführung von Elektrolyt zu der Elektrode umfassen (nicht dargestellt).The respective flow frame 46 defines a sealing surface 54 (in 3b indicated schematically). In the specific example, the flow frame 46 provides receiving areas 55 for receiving optional sealing elements 56 (e.g. in the form of O-rings or flat seals). The flow frame 46 may optionally include fluid channels for supplying and removing electrolyte to the electrode (not shown).

Wie in 3b schematisch dargestellt, definiert die Wirkfläche 52 (Rahmenöffnung 48 mit Elektrode 50) einen ersten Flächenabschnitt 58 der Stapel-Querschnittsfläche 20 und die Dichtfläche 54 (Flussrahmen 46 mit optionalen Dichtungselementen 56) einen zweiten Flächenabschnitt 60 der Stapel-Querschnittsfläche 20.As in 3b Shown schematically, the active surface 52 (frame opening 48 with electrode 50) defines a first surface section 58 of the stack cross-sectional surface 20 and the sealing surface 54 (flow frame 46 with optional sealing elements 56) defines a second surface section 60 of the stack cross-sectional surface 20.

Wie vorstehend erwähnt, sind die Zellen 14 in dem Zellstapelpaket 10 dann insbesondere derart gegeneinander verpresst, dass ein elektrischer Kontakt zwischen Elektrode 48 und benachbarter Bipolarplatte 44 hergestellt ist und die Zellen 14 bzw. Halbzellen 40-1, 40-2 gegeneinander abgedichtet sind.As mentioned above, the cells 14 in the cell stack package 10 are then particularly pressed against one another in such a way that an electrical contact is established between the electrode 48 and the adjacent bipolar plate 44 and the cells 14 or half cells 40-1, 40-2 are sealed against one another.

Wie bereits erwähnt, ist die Federeinrichtung 28 derart ausgebildet, dass eine Federkraftwirkung und somit eine auf den Zellstapel 12 wirkende Kompressionskraft in dem ersten Flächenabschnitt 58 (also im Bereich der Wirkfläche 52 bzw. der Rahmenöffnung 48) und in dem zweiten Flächenabschnitt 60 (also im Bereich der Dichtfläche 54 bzw. des Flussrahmens 46) unterschiedlich ist. Vorzugsweise ist die Federeinrichtung 28 derart ausgebildet, dass eine Federkraftwirkung und somit eine Kompressionskraft auf den Zellstapel 12 in dem ersten Flächenabschnitt 58 der Stapel-Querschnittsfläche 20 kleiner ist als eine Federkraftwirkung bzw. Kompressionskraft auf den Zellstapel 12 in dem zweiten Flächenabschnitt 60 der Stapel-Querschnittsfläche 20.As already mentioned, the spring device 28 is designed such that a spring force effect and thus a compression force acting on the cell stack 12 in the first surface section 58 (i.e. in the area of the active surface 52 or the frame opening 48) and in the second surface section 60 (i.e. in the Area of the sealing surface 54 or the flow frame 46) is different. Preferably, the spring device 28 is designed such that a spring force effect and thus a compression force on the cell stack 12 in the first surface section 58 of the stack cross-sectional area 20 is smaller than a spring force effect or compression force on the cell stack 12 in the second surface section 60 of the stack cross-sectional area 20.

Bei der in 4 gezeigten beispielhaften Ausgestaltung wird dies dadurch erzielt, dass eine Federdichte bzw. Federstapeldichte in dem ersten Flächenabschnitt 58 und in dem zweiten Flächenabschnitt 60 unterschiedlich sind. Im Konkreten ist die Federdichte in dem ersten Flächenabschnitt 58 geringer als in dem zweiten Flächenabschnitt 60. Die Federn 30 sind dabei beispielhaft gleichartig ausgebildet.At the in 4 In the exemplary embodiment shown, this is achieved in that a spring density or spring stack density in the first surface section 58 and in the second surface section 60 are different. Specifically, the spring density in the first surface section 58 is lower than in the second surface section 60. The springs 30 are designed in the same way, for example.

Bei der in 5 dargestellten beispielhaften Ausgestaltung ist die Federeinrichtung 28 hingegen derart ausgebildet, dass in dem ersten Flächenabschnitt 58 Federn 30 eines anderen Typs vorgesehen sind als in dem zweiten Flächenabschnitt 60. Im konkreten Beispiel weisen die in dem ersten Flächenabschnitt 58 vorgesehenen Federn 30-1 eine geringere Federkraft auf als die in dem zweiten Flächenabschnitt 60 vorgesehenen Federn 30-2. Es ist auch möglich, dass sowohl Feder-Typ als auch Federdichte in dem ersten und in dem zweiten Flächenabschnitt 58, 60 unterschiedlich sind.At the in 5 In the exemplary embodiment shown, however, the spring device 28 is designed such that springs 30 of a different type are provided in the first surface section 58 than in the second surface section 60. In the specific example, the springs 30-1 provided in the first surface section 58 have a lower spring force than the springs 30-2 provided in the second surface section 60. It is also possible that both spring type and spring density are different in the first and second surface portions 58, 60.

Die 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Zellstapelpakets 10, welches sich von der Ausgestaltung gemäß 1 darin unterscheidet, dass eine weitere Federeinrichtung 28' zwischen der zweiten Endplatte 26 und dem Zellstapel 12 vorgesehen ist. Die Federeinrichtung 28' umfasst eine Mehrzahl von Federn 30' und kann analog zu der zwischen erster Endplatte 24 und Zellstapel 12 angeordnete Federeinrichtung 28 ausgestaltet sein.The 6 shows a further embodiment of a cell stack package 10, which differs from the embodiment according to 1 differs in that a further spring device 28 'is provided between the second end plate 26 and the cell stack 12. The spring device 28 'comprises a plurality of springs 30' and can be designed analogously to the spring device 28 arranged between the first end plate 24 and the cell stack 12.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10392584 T5 [0005]

Claims

Cell stack package (10), comprising - a cell stack (12) with a plurality of electrochemical cells (14), in particular redox flow cells (14), which are stacked on top of one another along a stack axis (16), the cells (14) each having a stack cross-sectional area (20) cover orthogonally to the stacking axis (16); - a compression device (22), by means of which the cells (14) are pressed against one another along the stack axis (16), the compression device (22) comprising: o a first end plate (24), o a second end plate (26), and o a spring device (28) for provision a spring force effect on the cell stack (12), the cell stack (12) being arranged between the first end plate (24) and the second end plate (26), the spring device (28) being between the first end plate (24) and the cell stack (12 ) is arranged, and wherein the spring device (28) comprises a plurality of springs (30) or spring stacks, which are arranged distributed over the stack cross-sectional area (20).

Cell stack package (10). Claim 1 , wherein the first end plate (24) has spring receptacles for receiving the springs (30) or spring stacks or wherein a guide plate for receiving the springs (30) or spring stacks is provided between the first end plate (24) and the spring device (28).

Cell stack package (10) according to one of the preceding claims, wherein the spring device (28) is designed such that a spring force effect on the cell stack (12) in a first surface section (58) of the stack cross-sectional area (20) and a spring force effect on the cell stack ( 12) are different in a second surface section (60) of the stack cross-sectional surface (20).

Cell stack package (10). Claim 3 , wherein the first surface section (58) is a central surface section of the stack cross-sectional surface (20), which is enclosed by the second surface section (60).

Cell stack package (10) according to one of the Claims 3 or 4 , wherein the cells (14), viewed along the stack axis (16), have an, in particular central, active surface (52) and a sealing surface (54), in particular the active surface (52), wherein the active surface (52) has the first surface section ( 58) defines the stack cross-sectional area (20) and the sealing surface (54) defines the second surface section (60) of the stack cross-sectional area (20).

Cell stack package (10) according to one of the Claims 3 until 5 , wherein the cells (14) each have at least one flow frame (46) which delimits a central frame opening (48), the frame opening (48) defining the first surface section (58) of the stack cross-sectional area (20) and wherein the flow frame ( 46) defines the second surface section (60) of the stack cross-sectional surface (20).

Cell stack package (10) according to one of the Claims 3 until 6 , wherein the springs (30) or spring stacks are arranged such that a spring density or spring stack density in the first surface section (58) of the stack cross-sectional surface (20) and a spring density or spring stack density in the second surface section (60) of the stack cross-sectional surface (20 ) are different, in particular where the springs (30) or spring stacks are designed to be identical to one another.

Cell stack package (10) according to one of the Claims 3 until 7 , wherein a spring density or spring stack density in the second surface section (60) is greater than in the first surface section (58).

Cell stack package (10) according to one of the Claims 3 until 8th , wherein a first type of springs (30-1) or spring stack is provided in the first surface section (58) and a second type of springs (30-2) or spring stack is provided in the second surface section (60).

Cell stack package (10) according to one of the Claims 3 until 9 , wherein at least a subset of those springs (30, 30-1) or spring stacks that are provided in the first surface section (58) of the stack cross-sectional surface (20) each provide a lower spring force than springs (30, 30-2) or Spring stacks which are provided in the second surface section (60) of the stack cross-sectional surface (20).

Cell stack package (10) according to one of the preceding claims, wherein the compression device (22) also comprises a linear guide device (34) for guiding an axial displacement movement of the first and / or the second end plate (24, 26) along the stack axis (16).

Cell stack package (10) according to one of the preceding claims, wherein the compression device (22) further comprises a locking device (36) which is designed to limit an axial displacement path of the first and second end plates (24, 26) away from one another.

Compression device (22) for use in a cell stack package (10) according to one of the preceding claims.