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Die Erfindung betrifft einen in Stapelform aufgebauten Redox-Flow-Konverter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Redox-Flow-Konverter ist zum Beispiel aus der
EP 3 545 566 B1 bekannt. Ein Rahmen einer porösen Elektrode des bekannten Redox-Flow-Konverters weist Kanäle für ein elektrochemisches Fluid auf. Die Kanäle liegen in Form eines Versorgungskanals und eines Abführkanals vor und münden jeweils an einer Seitenfläche der Elektrode. Der Rahmen der Anordnung nach der
EP 3 545 566 B1 ist mehrteilig, nämlich aus einem oberen Rahmen und einem unteren Rahmen, aufgebaut, wobei jeder der beiden Rahmen eine Elektrode aufnimmt und die Elektroden durch eine Membran voneinander getrennt sind. Versorgungs- und Abführkanäle sind sowohl durch den oberen Rahmen als auch durch den unteren Rahmen ausgebildet. Ferner stellt sowohl der obere als auch der untere Rahmen Raum zur Aufnahme einer Dichtung, welche in Kontakt mit der Membran ist, bereit.
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Die
DE 10 2021 111 054 B3 beschreibt eine Redox-Flow-Zelle sowie ein Verfahren zur Montage eine Redox-Flow-Batterie. Der Redox-Flow-Zelle ist ein Elektrodenmodul zuzurechnen, welches einen Elektrodenrahmen mit einer auf seinem inneren Umfang angeordneten, umlaufenden Dichtung aufweist. Diese Dichtung wiederum weist einen Halterahmen auf, an welchem eine Schnappnase zur Aufnahme einer Elektrode ausgebildet ist. Mit dem Elektrodenmodul der Redox-Flow-Zelle nach der
DE 10 2021 111 054 B3 ist ein Membranmodul verbunden, welches einen Membranrahmen und eine Membran umfasst.
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Redox-Flow-Zellen zeichnen sich im Allgemeinen, im Unterschied zu üblichen Akkumulatoren, dadurch aus, dass sie von Elektrolyten durchströmt sind. Die Elektrolyte können in separaten Tanks bereitgestellt werden, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, Leistung und Kapazität unabhängig voneinander zu skalieren. Damit können Redox-Flow-Systeme unter anderem als großdimensionierte Energiespeicher konzipiert werden. Unter einem Redox-Flow-Konverter wird die typischerweise als Zellenstapel aufgebaute Anordnung elektrochemischer Zellen, das heißt Redox-Flow-Zellen, verstanden, welche die Kernkomponente einer Redox-Flow-Batterie darstellt.
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Bei der Konzeption eines Redox-Flow-Systems sind sowohl fluidtechnische als auch elektrotechnische und elektrochemische Aspekte zu berücksichtigen. In fluidtechnischer Hinsicht sind kurze gerade Strömungswege für die Elektrolytlösungen zu bevorzugen. Auf der anderen Seite entstehen im Zellenstapel aufgrund gegebener Spannungsdifferenzen elektrische Ströme, sogenannte Shunt-Ströme, in den Elektrolytlösungen, die als parasitäre Ströme die Effizienz des Redox-Flow-Konverters mindern. Von daher wären lange Wege, die von den Elektrolytlösungen zu durchströmen sind, von Vorteil. Insgesamt ist somit ein Zielkonflikt zwischen strömungstechnischer Optimierung einerseits und elektrotechnischer Optimierung andererseits gegeben.
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Als Mittel, mit welchen den verschiedenen, teils gegensätzlichen Anforderungen, die an Redox-Flow-Konverter gestellt werden, zugleich Rechnung getragen werden soll, sind gezielte Verlängerungen von Kanälen, insbesondere innerhalb rahmenförmiger Bauteile, prinzipiell bekannt. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
US 2020/0220194 A1 ,
US 9,653,746 B2 ,
EP 1 119 880 B1 und
WO 2021/090976 A1 hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Redox-Flow-Konverter, welche beispielsweise mit organischen Elektrolyten betreibbar sind, gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich des Zielkonfliktes zwischen strömungstechnischen und elektrotechnischen Anforderungen weiterzuentwickeln, wobei zugleich ein kompakter, fertigungsfreundlicher Aufbau des Redox-Flow-Konverters gegeben sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Redox-Flow-Konverter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der anmeldungsgemäße Redox-Flow-Konverter umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Mehrzahl in Form eines Zellenstapels angeordneter Redox-Flow-Zellen, wobei jede Redox-Flow-Zelle aus zwei durch eine Membran voneinander getrennten Halbzellen gebildet ist, so dass die Höhe einer jeden Redox-Flow-Zelle durch die Höhen ihrer Halbzellen gegeben ist, wobei Rahmen existieren, welche die Membranen umgeben, und wobei in den Rahmen an Aktivfelder der Halbzellen angeschlossene Shunt-Kanäle ausgebildet sind. Anmeldungsgemäß übersteigt die Höhe eines Shunt-Kanals, welcher allgemein auch als Rahmenkanal bezeichnet wird, die Höhe einer einzelne Halbzelle. Zugleich ist die Höhe des Mäanderkanals oder sonstigen Shunt-Kanals geringer als die Höhe einer jeden Redox-Flow-Zelle, das heißt geringe als die Summe der Höhen beider Halbzellen.
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Der angesprochene Zielkonflikt zwischen strömungstechnischer und elektrotechnischer Anforderung wird insbesondere dadurch gemindert, dass bei einem flachen Kanal eine Vergrößerung der Höhe strömungstechnisch vorteilhafter ist als elektrotechnisch nachteilig. Bei der Variation anderer Kanalabmessungen (Länge, Breite) ist dagegen tendenziell eine Kompensation von strömungstechnischen Vorteilen und elektrotechnischen Nachteilen zu erwarten.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aufgrund des plattenförmigen Aufbaus der einzelnen Zellen des Redox-Flow-Konverters typischerweise eine große Breite für die Freihaltung von Kanälen zur Verfügung steht, wogegen in Richtung der Zellenhöhe engere Grenzen gesetzt sind. Die Zellenhöhe ist hierbei in Stapelrichtung des Zellenstapels, bei horizontal ausgerichteten, im Wesentlichen flächigen Zellen also in vertikaler Richtung, zu messen. Auf Basis dieser Überlegung könnten Kanalquerschnitte für Elektrolyte praktisch beliebig vergrößert werden, indem ein großer Teil der Breite der Rahmen ausgenutzt wird. Somit ergäben sich auch bei geringer Rahmenhöhe große Kanalquerschnitte. Die Kanalhöhe könnte dabei auf die Halbzellenhöhe begrenzt bleiben.
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Die anmeldungsgemäße Lösung entfernt sich bewusst von diesem Ansatz, indem die Kanalhöhe die mittlere Halbzellenhöhe sprengt, wobei durch die Limitierung der Kanalhöhe auf die gesamte Zellenhöhe zugleich ein kompakter und fertigungstechnisch günstiger Aufbau gegeben bleibt.
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Der Redox-Flow-Konverter ist unter anderem mit an sich bekannten Vanadium-Elektrolyten betreibbar. Unabhängig von der Art der Elektrolyt-Lösungen sind durch die Ausnutzung näherungsweise der gesamten Zellhöhe für einen im Rahmen ausgebildeten Kanal zur Elektrolytzuführung oder -abführung Kanalquerschnitte mit einem günstigen Höhen-/Breitenverhältnis realisierbar. Zum Beispiel kann die Breite des Shunt-Kanals mindestens 80% und maximal 400% dessen Höhe entsprechen, was einen quadratischen Kanalquerschnitt einschließt. Sollte der Kanal eine über seine Länge veränderliche Breite und/oder Höhe aufweisen, so beziehen sich die genannten Werte auf den Kanalquerschnitt, welcher in der Kanalmitte gegeben ist, das heißt gleich weit vom Kanalanfang und Kanalende entfernt ist. In der Höhe erstreckt sich der Shunt-Kanal beispielsweise über eine Höhe, die mindestens 70% und höchstens 95% der Höhe der elektrochemischen Zelle entspricht.
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Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen sind die Shunt-Kanäle durch Zonen erhöhter Rahmenhöhe gebildet, wobei innerhalb des Zellenstapels jeweils eine Zone erhöhter Rahmenhöhe an eine Zone reduzierter Rahmenhöhe eines benachbarten Rahmens grenzt. Dies schließt Bauformen ein, bei welchen die Rahmenhöhe in der Zone reduzierter Rahmenhöhe Null beträgt, also im Rahmen ein Loch oder eine zurückgenommene Außenkontur vorliegt.
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In der Zone erhöhter Rahmenhöhe kann eine Kanal-Durchgangsöffnung ausgebildet sein, welche orthogonal zur Ebene, in welcher der Rahmen liegt, ausgerichtet ist. Die Gesamtheit miteinander fluchtender Kanal-Durchgangsöffnungen stellt dabei einen Hauptkanal als Ver- oder Entsorgungskanal dar, über welchen sämtliche Redox-Flow-Zellen mit Elektrolytlösung versorgbar sind, beziehungsweise welcher der Ableitung von Elektrolytlösung aus sämtlichen Redox-Flow-Zellen dient.
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An die Kanal-Durchgangsöffnung kann sich, ebenfalls innerhalb der Zone erhöhter Rahmenhöhe, ein gekrümmter Abschnitt des Shunt-Kanals anschließen, wobei der gekrümmte Abschnitt aus einer Menge an Kanalformen ausgewählt ist, die Kanäle in Mäanderform, Zick-Zack-Form sowie Spiralform umfasst. Ebenso sind Kanalformen denkbar, die rechteckige, kreisförmige oder ovale Muster beschreiben. In allen Fällen sind die auf Posolyt-Seite und Negolyt-Seite angeordneten Shunt-Kanäle vorzugsweise derart gestaltet, dass sie sich - in Draufsicht auf den Rahmen - nicht überdecken.
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An den gekrümmten Abschnitt wiederum kann eine Mehrzahl außerhalb der Zone erhöhter Rahmenhöhe befindlicher Verteilerkanäle anschließen, welche im Aktivfeld münden. Die Verteilerkanäle können sich hierbei zum Aktivfeld hin auffächern, wobei jeder Verteilerkanal im Unterschied zum in der Zone erhöhter Rahmenhöhe liegenden Shunt-Kanal gerade Abschnitte oder eine insgesamt gerade Form aufweisen kann.
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Als Material zur Herstellung des Rahmens kommt insbesondere Kunststoff in Betracht, der elektrisch isolierend ausgebildet ist. Der Rahmenkanal hat keinen Kontakt zu einer Elektrode der Redox-Flow-Zelle, womit elektrische Kurzschlüsse zwischen dem Rahmenkanal und der Elektrode beziehungsweise dem Anfang und Ende des Rahmenkanals verhindert werden. Bei der Elektrode kann es sich zum Beispiel um einen sogenannten Batterie-Filz, um eine strukturierte Graphit-Elektrode oder um eine metallische Elektrode, insbesondere aus dreidimensional strukturiertem Blech, handeln.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 einen Rahmen für einen Zellenstapels eines Redox-Flow-Konverters,
- 2 ausschnittsweise eine Mehrzahl an Rahmen nach 1 in Explosionsdarstellung,
- 3 ein Detail des Rahmens nach 1,
- 4 ausschnittsweise die Anordnung nach 2 in geschnittener Darstellung,
- 5 eine Einzelheit eines mehrere Rahmen nach den 1 bis 4 umfassenden Redox-Flow-Konverters,
- 6 eine alternative Ausgestaltung eines Rahmens für einen Redox-Flow-Konverter,
- 7 und 8 eine modifizierte Ausführungsform eines Rahmens für einen Zellenstapel eines Redox-Flow-Konverters,
- 9 und 10 weitere Ausführungsformen von Rahmen für Redox-Flow-Konverter,
- 11 in schematischer Darstellung im Querschnitt den Aufbau elektrochemischer Zellen, das heißt Redox-Flow-Zellen, sowie Rahmen in einem Redox-Flow-Konverter,
- 12 und 13 geometrische Merkmale eines in einem Rahmen eines Zellenstapels verlaufenden Kanals.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Redox-Flow-Konverter ist aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen 3 aufgebaut, die als Zellenstapel 2 vorliegen. Jede Zelle 3 umfasst zwei Halbzellen 4, 5, die durch eine protonendurchlässige Membran 7 voneinander getrennt sind. Die elektrochemische Zelle 3, das heißt Redox-Flow-Zelle, ist durch flächige Elektroden 8, welche als Bipolarplatten ausgebildet sind, begrenzt. Der Zellenstapel 2 umfasst eine Vielzahl an Rahmen 6, deren Schmalseiten mit 9 und deren Längsseiten mit 10 bezeichnet sind. Die Rahmen 6 umschließen innerhalb des Redox-Flow-Konverters 1 Aktivfelder 11, in welchen die gewünschten elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Verteilerfelder zur Zu- und Abführung von Elektrolytlösungen sind mit 12 bezeichnet. Zur Abdichtung sind unter anderem umlaufende Dichtungen 13 vorgesehen.
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Die mit H3 bezeichnete Höhe einer jeder elektrochemischen Zelle 3 ist in den Ausführungsbeispielen gleichförmig auf die Höhen H4, H5 der Halbzellen 4, 5 aufgeteilt. Jeder Rahmen 6 weist einen Rahmenbereich 14 mittlerer Höhe auf, wobei die Zellenhöhe H3 im Wesentlichen dem Doppelten der genannten mittleren Höhe entspricht. Zusätzlich zu den Rahmenbereichen 14 mittlerer Höhe sind durch die Rahmen 6 jeweils Zonen 15 erhöhter Rahmenhöhe und Zonen 16 reduzierter Rahmenhöhe gebildet. In den Ausführungsbeispielen sind die Zonen 16 reduzierter Rahmenhöhe zu Aussparungen, das heißt Rahmenzonen mit Höhe Null, entartet. In Draufsicht auf den Rahmen 6 entsprechen die Außenkonturen einer jeden Zone 15 erhöhter Rahmenhöhe den Konturen einer zugehörigen Aussparung 16. Damit ist es möglich, eine Vielzahl identische geformter Rahmen 6 alternierend in einer ersten Ausrichtung und in einer hierzu um 180° gedrehten oder gespiegelten Ausrichtung aufeinander zu stapeln.
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In den Zonen 15 erhöhter Rahmenhöhe ist jeweils ein Rahmenkanal 19 ausgebildet, der auch als Shunt-Kanal bezeichnet wird und von einer Kanal-Durchgangsöffnung 18 ausgeht, die sämtliche Rahmen 6 durchzieht. Mittels des Rahmenkanals 19 wird ein Weg, den ein Elektrolyt zu fließen hat, gezielt verlängert, um elektrische Verluste zu minimieren. Der Rahmenkanal 19 umfasst einen gekrümmten Kanalabschnitt 20, welcher eine Mäanderform (1 bis 5, 7, 8, 12) aufweisen kann. An den Kanalabschnitt 20 schließen sich mehrere Verteilerkanäle 21 an, welche insgesamt ein sich auffächerndes Muster beschreiben und dem Rahmenbereich 14 mittlerer Höhe zuzurechnen sind. Die Verteilerkanäle 21 liegen, anders als der Rahmenkanal 19, bereits im Verteilerfeld 12. Damit ist die Höhe der Verteilerkanäle 21 auf die Höhe H4, H5 einer Halbzelle 4, 5 beschränkt.
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Diese Beschränkung gilt, wie insbesondere aus 11 hervorgeht, nicht für die mit H bezeichnete Höhe des Rahmenkanals 19. Vielmehr übertrifft die Höhe H des Rahmenkanals 19 in allen Ausführungsbeispielen die Höhe H4, H5 einer einzelnen Halbzelle 4, 5. Die Länge des Rahmenkanals 19 ist allgemein mit L angegeben. Eine Beschränkung der Höhe H nach oben ist lediglich durch die Gesamthöhe H3 einer jeden elektrochemischen Zelle 3 gegeben. Die maximal zur Verfügung stehende Höhe H3 wird durch die Höhe H des Rahmenkanals 19 beispielsweise zu circa 90 % ausgeschöpft. Im Vergleich zu denkbaren Kanälen, die ausschließlich innerhalb der Höhe H4, H5 einer einzelnen Halbzelle 4, 5 liegen, ist damit ein deutlich günstigeres Höhen-/Breitenverhältnis H/B des Rahmenkanals 19 erreichbar. Die Breite B des Rahmenkanals 19 beträgt zum Beispiel mindestens 80 % und höchstens 400 % der Höhe H desselben Rahmenkanals 19. Die Kanalform nach den 12 und 13 ist beispielsweise bei den Ausführungsformen nach den 9 und 10 gegeben, bei welchen die Kanalabschnitte 20 nur ansatzweise erkennbar sind.
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In den Anordnungen nach den 4 und 5 kontaktiert eine durch den Kanalabschnitt 20 strukturierte Oberfläche der Zone 15 erhöhter Rahmenhöhe, welche aus dem Rahmenbereich 14 mittlerer Höhe desselben Rahmens 6 herausragt und ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Oberseite der betreffenden Zone 15 bezeichnet wird, die Rückseite einer Zone 15 des übernächsten Rahmens 6 innerhalb des Zellenstapels 2. Gummierungen 17, welche sich als Dichtungen auf den Zonen 15 befinden, bilden die Form der gekrümmten Kanalabschnitte 20 nach.
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In der beschriebenen Weise sind auch die Rahmen 6 nach den 7 bis 10 innerhalb eines Zellenstapels 2 aufeinander stapelbar. Eine Nut zum Einlegen einer Dichtung ist mit 22 bezeichnet. Im Fall von 10 fehlt jegliche Umrandung der Aussparungen 16, sodass die äußere Rechteckform des Rahmens 6 durch die außen offenen Aussparungen 16 modifiziert ist.
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Was den in 13 dargestellten Kanalquerschnitt oder auch andere mögliche Kanalquerschnitte betrifft, ist für den elektrischen Widerstand ungeachtet des gegebenen Höhen-Breitenverhältnisses ausschließlich die Querschnittsfläche entscheidend. Für den strömungstechnischen, auf Fluidviskosität basierenden Widerstand ist allerdings das Höhen-Breitenverhältnis bei gleicher Fläche relevant. Der dargestellte, breite und flache Kanalquerschnitt ist - verursacht durch die Restriktion geringer Rahmenhöhe - somit in der Summe der Eigenschaften zwar ungünstiger als ein quadratischer oder annähernd quadratischer Kanal mit gleichem Querschnitt, jedoch vorteilhaft im Vergleich zu einem noch flacheren, breiteren Kanalquerschnitt. Insgesamt stellt die Gestaltung des Rahmenkanals 19 einen Kompromiss dar, der elektrotechnische Aspekte ebenso wie strömungstechnische Aspekte und Bauraumbegrenzungen berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Redox-Flow-Konverter
- 2
- Zellenstapel
- 3
- Elektrochemische Zelle
- 4
- Halbzelle
- 5
- Halbzelle
- 6
- Rahmen
- 7
- Membran
- 8
- Elektrode
- 9
- Schmalseite des Rahmens
- 10
- Längsseite des Rahmens
- 11
- Aktivfeld
- 12
- Verteilerfeld
- 13
- Dichtung, umlaufend
- 14
- Rahmenbereich mittlerer Höhe
- 15
- Zone erhöhter Rahmenhöhe
- 16
- Zone reduzierter Rahmenhöhe, Aussparung
- 17
- Dichtung, Gummierung
- 18
- Kanal-Durchgangsöffnung
- 19
- Rahmenkanal, Shunt-Kanal
- 20
- gekrümmter Kanalabschnitt, Mäander, Spirale
- 21
- Verteilerkanal
- 22
- Nut
- B
- Breite
- H
- Kanalhöhe
- H3
- Höhe der elektrochemischen Zelle
- H4, H5
- Höhe einer Halbzelle
- L
- Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3545566 B1 [0002]
- DE 102021111054 B3 [0003]
- US 20200220194 A1 [0006]
- US 9653746 B2 [0006]
- EP 1119880 B1 [0006]
- WO 2021090976 A1 [0006]
