DE102022123492A1

DE102022123492A1 - Fluid cell of an energy storage device

Info

Publication number: DE102022123492A1
Application number: DE102022123492.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Neubauer; Richard Ellmann; Gerhard Hautmann
Original assignee: Jenabatteries GmbH
Current assignee: Jenabatteries GmbH
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Es wird eine Fluidzelle eines mindestens eine erste und mindestens eine zweite Fluidzelle (100, 200) aufweisenden Energiespeichers beschrieben mit einem Zellrahmen (110, 210), der einen aktiven Zellraum (111, 211) der Fluidzelle (100, 200) umschließt, mit einer elektrodenseitigen Abdeckung (130, 230) auf einer Seite des Zellrahmens (110, 210) und mit einer membranseitigen Abdeckung (150, 250) auf der anderen Seite des Zellrahmens (110, 210), wobei zwischen dem Zellrahmen (110, 210) und der elektrodenseitigen Abdeckung (130, 230) eine elektrodenseitige Abdichtung (140, 340, 440) und zwischen dem Zellrahmen (110, 210) und der membranseitigen Abdeckung (150, 250) eine membranseitige Abdichtung (160) ausgebildet sind. Der Zellrahmen (110, 210) besteht aus einem harten Material, und weist auf der der elektrodenseitigen Abdeckung (130, 230) zugewandten Seite eine elektrodenseitige Dichtkontur (141, 341, 441) zum Eindringen in die elektrodenseitige Abdeckung (130, 230) auf, wobei die elektrodenseitige Abdeckung (130, 230) aus einem weichen Material bestehtA fluid cell of an energy storage device having at least one first and at least one second fluid cell (100, 200) is described, with a cell frame (110, 210) which encloses an active cell space (111, 211) of the fluid cell (100, 200), with a electrode-side cover (130, 230) on one side of the cell frame (110, 210) and with a membrane-side cover (150, 250) on the other side of the cell frame (110, 210), between the cell frame (110, 210) and the electrode-side cover (130, 230) an electrode-side seal (140, 340, 440) and between the cell frame (110, 210) and the membrane-side cover (150, 250) a membrane-side seal (160) are formed. The cell frame (110, 210) is made of a hard material and has, on the side facing the electrode-side cover (130, 230), an electrode-side sealing contour (141, 341, 441) for penetration into the electrode-side cover (130, 230), wherein the electrode-side cover (130, 230) consists of a soft material

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidzelle eines eine erste und eine zweite Fluidzelle aufweisenden Energiespeichers, insbesondere einer auch als Nasszelle bezeichneten Redox-Flow-Batterie oder einer Wasserstoffzelle / Brennstoffzelle, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Zwischen jeder ersten und zweiten Fluidzelle des Energiespeichers ist eine lonenaustauschmembran angeordnet, die eine Vermischung der Fluide in der ersten und der zweiten Fluidzelle verhindert, aber einen Ionenaustausch erlaubt. Hierdurch wird elektrische Energie freigesetzt. Der Energiespeicher kann aus einer Mehrzahl von ersten und zweiten Fluidzellen mit jeweils zwischenliegender lonenaustauchmembran in einer Stapelanordnung aufgebaut sein.The invention relates to a fluid cell of an energy storage device having a first and a second fluid cell, in particular a redox flow battery, also known as a wet cell, or a hydrogen cell/fuel cell, according to the features of the preamble of claim 1. There is between each first and second fluid cell of the energy storage device an ion exchange membrane is arranged, which prevents mixing of the fluids in the first and second fluid cells, but allows ion exchange. This releases electrical energy. The energy storage can be constructed from a plurality of first and second fluid cells, each with an ion exchange membrane in between, in a stack arrangement.

Eine derartige Fluidzelle bspw. einer Redox-Flow-Batterie mit einem auch als Verteilerpatte bezeichneten Zellrahmen ist aus der DE 21 2015 000 124 U1 bekannt. Der Begriff „Verteilerplatte“ rührt daher, dass der Zellrahmen in der Stapelanordnung zu einer Art plattenförmigen Aufbau der übereinander gestapelten Fluidzellen führt, und die Fluidströmungsführung für das Fluid in die und aus den einzelnen Fluidzellen in den Zellrahmen integriert ist. Dazu können bspw. an den Zellrahmen anschließbare Fluidkreisläufe vorgesehen sein, die das Fluid mit geeigneten Fluidreservoiren verbinden. Dies ist eine gängige Technik bei Redox-Flow-Batterien bzw. ähnlichen Energiespeichern. Sie ist dem Fachmann bekannt, und wird in diesem Text nicht näher beschrieben. Die Art der Fluidführung und Fluidzufuhr, sowie die Art der Energiespeicherung und Energiefreisetzung ist nicht Gegenstand dieser Anmeldung. Die hier beschriebene Erfindung betrifft die Abdichtung der einzelnen Fluidzellen, und ist mit den bekannten fluidbetriebenen Energiespeichern, wie insbesondere Redox-Flow-Batterien, Wasserstoffzellen und/oder Brennstoffzellen kombinierbar.Such a fluid cell, for example a redox flow battery with a cell frame, also known as a distribution plate, is made from the DE 21 2015 000 124 U1 known. The term “distribution plate” comes from the fact that the cell frame in the stack arrangement leads to a kind of plate-shaped structure of the fluid cells stacked one above the other, and the fluid flow guide for the fluid into and out of the individual fluid cells is integrated into the cell frame. For this purpose, for example, fluid circuits that can be connected to the cell frame can be provided, which connect the fluid to suitable fluid reservoirs. This is a common technology in redox flow batteries or similar energy storage devices. It is known to those skilled in the art and is not described in more detail in this text. The type of fluid conduction and fluid supply, as well as the type of energy storage and release, is not the subject of this application. The invention described here relates to the sealing of the individual fluid cells and can be combined with the known fluid-operated energy storage devices, such as in particular redox flow batteries, hydrogen cells and/or fuel cells.

Der Aufbau der vorgeschlagenen Fluidzelle umfasst einen Zellrahmen, der einen aktiven Zellraum der Fluidzelle umschließt und in dem Fluidführungen zum Einleiten und zum Ausleiten des Fluids ausgebildet sind, sowie eine elektrodenseitigen Abdeckung auf einer Seite des Zellrahmens und eine membranseitigen Abdeckung auf der anderen Seite des Zellrahmens derart, dass der Zellrahmen, die elektrodenseitige Abdeckung und die membranseitige Abdeckung den aktiven Zellraum der Fluidzelle räumlich begrenzen. Zwischen dem Zellrahmen und der elektrodenseitigen Abdeckung ist eine elektrodenseitige flüssigkeitsdichte und/oder gasdichte Abdichtung und zwischen dem Zellrahmen und der membranseitigen Abdeckung ist eine membranseitige flüssigkeitsdichte und/oder gasdichte Abdichtung ausgebildet, die einzeln oder zusammen auch als fluiddichte Abdichtung bezeichnet werden.The structure of the proposed fluid cell comprises a cell frame which encloses an active cell space of the fluid cell and in which fluid guides for introducing and discharging the fluid are formed, as well as an electrode-side cover on one side of the cell frame and a membrane-side cover on the other side of the cell frame that the cell frame, the electrode-side cover and the membrane-side cover spatially limit the active cell space of the fluid cell. An electrode-side liquid-tight and/or gas-tight seal is formed between the cell frame and the electrode-side cover and a membrane-side liquid-tight and/or gas-tight seal is formed between the cell frame and the membrane-side cover, which are also referred to individually or collectively as a fluid-tight seal.

Aus der EP 2 818 582 A1 ist eine Fluidraumvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Fluidzelle gezeigt, bei der zwischen zwei Wandelementen mit jeweils einer elastisch verformbaren, als gleichschenkliges Dreieck ausgebildeten Dichtkontur eine Elektrodenanordnung aus mit einer planen Anode und Kathode angeordnet sind, zwischen denen die lonenaustauschmembran angeordnet ist. Hierdurch wird ein Elektrolyseur gebildet. Die Dichtkontur der Wandelemente dichtet den Fluidraum jeweils durch elastische Verformung gegen eine der beiden Elektroden ab, wobei zwischen jedem Wandelement und jeder Elektrode ein Distanzstück angeordnet ist, durch das gesichert wird, dass die Verformung der Dichtkontur in einem elastischen Bereich liegt und eine dauerhafte plastische Verformung der Dichtkontur vermieden wird. Auch wenn bei dieser Anordnung zusätzliche separate Dichtungen zwischen den Wandelementen vermieden werden, erfordert jeder Fluidraum eine Begrenzung durch zwei Wandelemente (Abdeckung mit elastischem Dichtelement und Elektrode), was den Aufbau einer Fluidzelle erhöht. Außerdem sind gesonderte Distanzstücke notwendig, die die Höhe des Fluidraumes definieren und eine plastische Verformung der elastischen Dichtkontur vermeiden. Der Aufbau einer Fluidzelle ist damit immer noch vergleichsweise hoch, und die Montage ist durch das Einbringen der zusätzlichen Distanzstücke in die Dichtverbindung aufwendig.From the EP 2 818 582 A1 a fluid space device is shown with a first and a second fluid cell, in which an electrode arrangement with a flat anode and cathode is arranged between two wall elements, each with an elastically deformable sealing contour designed as an isosceles triangle, between which the ion exchange membrane is arranged. This creates an electrolyzer. The sealing contour of the wall elements seals the fluid space against one of the two electrodes by elastic deformation, with a spacer being arranged between each wall element and each electrode, which ensures that the deformation of the sealing contour is in an elastic range and a permanent plastic deformation the sealing contour is avoided. Even if this arrangement avoids additional separate seals between the wall elements, each fluid space requires a delimitation by two wall elements (cover with elastic sealing element and electrode), which increases the structure of a fluid cell. In addition, separate spacers are necessary that define the height of the fluid space and avoid plastic deformation of the elastic sealing contour. The structure of a fluid cell is therefore still comparatively high, and assembly is complex due to the introduction of additional spacers into the sealing connection.

Aus der WO 2016/033147 A1 ist eine Fluidzelle bekannt, die durch zwei Bipolarplatten mit Elektrodenflächen gebildet wird, zwischen denen eine Membran angeordnet ist. In der Dichtfläche zwischen den beiden Bipolarplatten ist eine plastisch verformbare Dichtung angeordnet, wobei in einer der beiden Bipolarplatten eine Anordnung aus Vorsprüngen von gleichschenkligen Dreiecken vorgesehen ist, die beim Abdichten in die Dichtung eindringen und diese plastisch verformen. Zwischen den Bipolarplatten ist zusätzlich zu den plastisch verformbaren Dichtungen auch mindestens ein Distanzelement vorgesehen. Der Aufwand für die Montage der Fluidzelle ist vergleichsweise hoch, da zusätzliche Dichtungs- und Distanzelemente vorgesehen werden müssen. Zudem sind weitere funktionale Elemente, wie die Membran, in Ausnehmungen der Bipolarplatten einzulegen, was die Fertigung der Bipolarplatten aufwendig macht.From the WO 2016/033147 A1 A fluid cell is known which is formed by two bipolar plates with electrode surfaces, between which a membrane is arranged. A plastically deformable seal is arranged in the sealing surface between the two bipolar plates, with an arrangement of projections of isosceles triangles being provided in one of the two bipolar plates, which penetrate into the seal during sealing and plastically deform it. In addition to the plastically deformable seals, at least one spacer element is also provided between the bipolar plates. The effort involved in assembling the fluid cell is comparatively high because additional sealing and spacer elements must be provided. In addition, further functional elements, such as the membrane, have to be inserted into recesses in the bipolar plates, which makes the production of the bipolar plates complex.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehenden Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden, und eine Fluidzelle mit einfach herstellbaren und zusammenfügbaren Teilen vorzuschlagen, die modular in Stapelanordnungen verwendbar sind und eine einfache Abdichtung bei einer möglichst kompakten Stapelbarkeit der Fluidzellen in einem Batteriespeicher, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, ermöglichen.The object of the invention is to avoid the above disadvantages of the prior art and to propose a fluid cell with parts that are easy to produce and assemble, which can be used modularly in stacking arrangements and provide a simple seal with the most compact stackability of the fluid cells in a battery storage, in particular one Redox flow battery, enable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Fluidzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Zellrahmen aus einem bezogen auf eine zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen und der elektrodenseitigen sowie der membranseitigen Abdeckung harten Material besteht, d.h. insbesondere einem durch die Verbindungsdruckkraft nicht elastisch und/oder nicht plastisch verformbaren Material. Erfindungsgemäß weist der Zellrahmen auf der der elektrodenseitigen Abdeckung zugewandten Seite eine elektrodenseitige Dichtkontur zum Eindringen in die elektrodenseitige Abdeckung auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Zellrahmen aus einem Polypropylen-Werkstoff bestehen, dessen Härte in für den Fachmann bekannter Weise einfach an die gewünschten Anforderungen, hier die vorzusehende Verbindungsdruckkraft, angepasst werden kann. Ein weiterer Vorteil des bevorzugt vorgeschlagenen Polypropylen-Werkstoffs liegt darin, dass dieser einfach mittels Spritzgutverfahren verarbeitbar ist und die Zellrahmen so einfach und kostengünstig in der gewünschten Form und Qualität mit hohem Gestaltungsspielraum für fachmännische Gestaltungsanpassungen herstellbar sind.This object is achieved according to the invention by a fluid cell with the features of claim 1. In particular, it is provided that the cell frame consists of a material that is hard in relation to a connecting pressure force generated for sealing between the cell frame and the electrode-side and the membrane-side cover, that is, in particular, a material that is not elastically and/or not plastically deformable by the connecting pressure force. According to the invention, the cell frame has an electrode-side sealing contour on the side facing the electrode-side cover for penetration into the electrode-side cover. According to a preferred embodiment, the cell frame can consist of a polypropylene material, the hardness of which can be easily adapted to the desired requirements, in this case the connection pressure force to be provided, in a manner known to those skilled in the art. Another advantage of the preferred polypropylene material is that it can be easily processed using the injection molding process and the cell frames can be produced easily and cost-effectively in the desired shape and quality with a high degree of freedom for professional design adjustments.

Andererseits besteht die elektrodenseitige Abdeckung aus einem bezogen auf die zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen und der elektrodenseitigen sowie der membranseitigen Abdeckung weichen Material, d.h. insbesondere einem durch die Verbindungsdruckkraft plastisch verformbaren Material. Bei dem Aufbringen des Verbindungsdrucks beginnt das weiche Material der elektrodenseitigen Abdeckung zu fließen und setzt sich in Unebenheiten der Dichtkontur, die bspw. als Schneidkante ausgebildet sein kann. Unebenheiten ergeben sich bei einer Spritzgussherstellung insbesondere an einer Kante immer. Nach dem elastischen Fließen findet eine Verfestigung (dauerhafte plastische Verformung eines viskoelastischen Materials) statt, die eine fluiddichte, insbesondere flüssigkeits- und/oder gasdichte, Verbindung der beiden Komponenten (Zellrahmen und Abdeckung) erzeugt.On the other hand, the electrode-side cover consists of a material that is soft in relation to the connecting pressure force generated for sealing between the cell frame and the electrode-side and the membrane-side cover, i.e. in particular a material that is plastically deformable by the connection pressure force. When the connection pressure is applied, the soft material of the electrode-side cover begins to flow and settles into unevenness in the sealing contour, which can be designed, for example, as a cutting edge. Unevenness always occurs during injection molding, especially on one edge. After the elastic flow, solidification (permanent plastic deformation of a viscoelastic material) takes place, which creates a fluid-tight, in particular liquid and/or gas-tight, connection of the two components (cell frame and cover).

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt wird eine elektrodenseitige Abdeckung aus einem Kunststoff-Grafit-Verbund vorgeschlagen, der neben der Leitfähigkeit und damit der Eignung als Elektrodenmaterial in der Fluidzelle bei der üblichen Verbindungsdruckkraft (bspw. in der Größenordnung von 20 Mpa bis 50 Mpa) weicher ist als die Dichtkontur aus bspw. Polypropylen. Geeignete Kunststoff-Grafit-Verbundwerkstoffe sind Bipolarplatten mit einem Polymeranteil zwischen 6% und 15% und dem Polymertyp Fluoropolymer, die dem Fachmann als Elektrodenmaterial bekannt sind, und deren Eigenschaften er im Rahmen einer fachmännischen Optimierung geeignet auswählen kann.Particularly preferred according to the invention is an electrode-side cover made of a plastic-graphite composite which, in addition to its conductivity and thus its suitability as an electrode material in the fluid cell, is softer than the usual connection pressure force (e.g. in the order of 20 MPa to 50 MPa). Sealing contour made of, for example, polypropylene. Suitable plastic-graphite composite materials are bipolar plates with a polymer content between 6% and 15% and the polymer type fluoropolymer, which are known to the person skilled in the art as electrode material and whose properties he can select appropriately as part of a professional optimization.

Gemäß der Erfindung wird durch das weiche, plastisch verformbare Material der elektrodenseitigen Abdeckung also eine sehr zuverlässige Dichtwirkung erreicht. Gleichzeitig kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kein, insbesondere kein weiteres oder separates, Dichtelement zwischen dem Zellrahmen und der elektrodenseitigen Abdeckung vorgesehen sein, bspw. durch Zwischenlegen vor dem Aufbringen der Verbindungsdruckkraft.According to the invention, a very reliable sealing effect is achieved by the soft, plastically deformable material of the electrode-side cover. At the same time, according to a particularly preferred embodiment, no, in particular no further or separate, sealing element can be provided between the cell frame and the electrode-side cover, for example by interposing before applying the connecting pressure force.

Die Dichtkontur bildet vorzugsweise eine geschlossene Kontur um die Rahmenöffnung, die den aktiven Zellraum bildet. Dazu kann die Dichtkontur bspw. als geschlossene Kurvenbahn ausgebildet sein, die die Rahmenöffnung umschließt.The sealing contour preferably forms a closed contour around the frame opening, which forms the active cell space. For this purpose, the sealing contour can be designed, for example, as a closed curved track that encloses the frame opening.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die elektrodenseitige Dichtkontur als von der der elektrodenseitigen Abdeckung zugewandten Oberfläche des Zellrahmens vorstehende Schneidkante ausgebildet sein. Eine solche Schneidkante drückt sich fest in das weiche Material der elektrodenseitigen Abdeckung ein und begünstigt das elastische Fließen des Materials der elektrodenseitigen Abdeckung um die Schneidkante. Dies verbessert die Dichtwirkung. Vorzugweise sind die Seiten der Schneidkante plan, d.h. nicht gekrümmt, ausgebildet.According to a preferred embodiment of the invention, the electrode-side sealing contour can be designed as a cutting edge protruding from the surface of the cell frame facing the electrode-side cover. Such a cutting edge presses firmly into the soft material of the electrode-side cover and promotes the elastic flow of the material of the electrode-side cover around the cutting edge. This improves the sealing effect. The sides of the cutting edge are preferably flat, i.e. not curved.

In einer Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens kann der Winkel zwischen einer zu der Oberfläche des Zellrahmens parallelen Ebene und einer äußeren (d.h. dem durch den Zellrahmen eingeschlossenen aktiven Zellraum abgewandten) Seite der Schneidkante kleiner sein als der Winkel zwischen der zu der Oberfläche des Zellrahmen parallelen Ebene und einer inneren (d.h. dem durch den Zellrahmen eingeschlossenen aktiven Zellraum zugewandten) Seite der Schneidkante. Dies führt zu einer Straffung der dem aktiven Zellraum zugewandten Oberflächenseite der elektrodenseitigen Abdeckung, bspw. einer Bipolarplatte oder einer sonstigen Dichtung. Der Effekt einer Straffung ist besonders groß, wenn das Material der Abdeckung (auch) gewisse elastische Eigenschaften hat.In a further development of this inventive concept, the angle between a plane parallel to the surface of the cell frame and an outer side of the cutting edge (i.e. facing away from the active cell space enclosed by the cell frame) can be smaller than the angle between the plane parallel to the surface of the cell frame and a inner side of the cutting edge (i.e. facing the active cell space enclosed by the cell frame). This leads to a tightening of the surface side of the electrode-side cover facing the active cell space, for example a bipolar plate or another seal. The effect of tightening is particularly great if the material of the cover (also) has certain elastic properties.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die elektrodenseitige Dichtkontur alternativ oder ergänzend ein Podest mit einer zu der Oberfläche des Zellrahmens parallelen Ebene aufweisen. Vorzugsweise ist die parallele Ebene des Podests als plane glatte Fläche ausgebildet. Diese Fläche wirkt als Distanzstück zwischen Zellrahmen und elektrodenseitiger Abdeckung, weil eine solche plane Oberfläche des Podests einem plastischen Fließen des weichen Materials um das relativ großflächige Podest entgegenwirkt. Zudem kann eine solche Oberfläche als Dichtfläche wirken, insbesondere wenn das Material der Abdeckung elastische Eigenschaften aufweist.According to a further embodiment, the electrode-side sealing contour can alternatively or additionally have a pedestal with a plane parallel to the surface of the cell frame. The parallel plane of the platform is preferably designed as a flat, smooth surface. This surface acts as a spacer between the cell frame and the electrode-side cover, because such a flat surface of the platform allows the soft material to flow relatively freely flat platform counteracts. In addition, such a surface can act as a sealing surface, especially if the material of the cover has elastic properties.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidzelle, bei der die Schneidkante auf dem Podest der Dichtkontur einteilig mit dem Podest ausgebildet ist oder ggf. auch anderweitig insbesondere einteilig mit dem Podest verbunden ist. Dies ist konstruktiv einfach und schafft die Möglichkeit mit einer Dichtkontur eine Abdichtung durch plastisches Fließen der Dichtung (bspw. um die Schneidkante herum) und/oder durch elastisches Verformen der Dichtung (gegen die plane glatte Podestfläche) (einfaches Verpressen der Dichtung gegen die Dichtfläche) zu erreichen. Außerdem sind die Lage des Podests (als Distanzstück oder Distanzelement) und der Schneidkante bei einer einteiligen Ausbildung definiert zueinander festgelegt, was sowohl die Eindringtiefe der Abdeckung aus einem elastischen Material als auch die Eindringtiefe der Abdeckung aus einem plastisch verformbaren Material in fest vorgegebener (definierter) Weise begrenzt.Particularly preferred is an embodiment of the fluid cell according to the invention in which the cutting edge on the pedestal of the sealing contour is formed in one piece with the pedestal or is possibly otherwise connected in particular in one piece to the pedestal. This is structurally simple and creates the possibility of sealing with a sealing contour through plastic flow of the seal (e.g. around the cutting edge) and/or through elastic deformation of the seal (against the flat, smooth platform surface) (simply pressing the seal against the sealing surface) to reach. In addition, the position of the platform (as a spacer or spacer element) and the cutting edge are defined in relation to one another in a one-piece design, which means both the penetration depth of the cover made of an elastic material and the penetration depth of the cover made of a plastically deformable material in a fixed (defined) manner. Limited in a way.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidzelle weist der Zellrahmen auf der der membranseitigen Abdeckung zugewandten Seite eine membranseitige Dichtkontur auf. Die lonenaustauschmembran kann in die membranseitige Abdeckung einteilig integriert oder mit dieser fluiddicht verbindbar ausgebildet sein. Damit kann auf beiden Seiten des Zellrahmens grundsätzlich dasselbe Dichtkonzept verwendet werden (mittels elastisch und/oder plastisch verformbarem Dichtmaterial), ohne dass es konstruktiver Änderungen an dem Zellrahmen bedarf.In one embodiment of the fluid cell according to the invention, the cell frame has a membrane-side sealing contour on the side facing the membrane-side cover. The ion exchange membrane can be integrated in one piece into the membrane-side cover or can be designed to be connected to it in a fluid-tight manner. This means that the same sealing concept can basically be used on both sides of the cell frame (using elastically and/or plastically deformable sealing material) without the need for any structural changes to the cell frame.

Die Dichtkontur auf der der membranseitigen Abdeckung zugewandten Seite des Zellrahmens kann insbesondere als von der Oberfläche des Zellrahmens in Richtung der membranseitigen Abdeckung vorstehende Schneidkante ausgebildet sein, wobei optional der Winkel zwischen einer zu der Oberfläche des Zellrahmens parallelen Ebene und einer äußeren (d.h. dem durch den Zellrahmen eingeschlossenen aktiven Zellraum abgewandten) Seite der Schneidkante kleiner als der Winkel zwischen der zu der Oberfläche des Zellrahmen parallelen Ebene und einer inneren (d.h. dem durch den Zellrahmen eingeschlossenen aktiven Zellraum zugewandten) Seite der Schneidkante ausgebildet sein kann. Ferner kann auch die membranseitige Dichtkontur ein Podest mit einer zu der Oberfläche des Zellrahmens parallelen Ebene aufweisen, insbesondere mit vergleichbaren Eigenschaften wie die elektrodenseitige Dichtkontur.The sealing contour on the side of the cell frame facing the membrane-side cover can in particular be designed as a cutting edge protruding from the surface of the cell frame in the direction of the membrane-side cover, the angle between a plane parallel to the surface of the cell frame and an outer (i.e. that through the The side of the cutting edge facing away from the active cell space enclosed in the cell frame can be designed to be smaller than the angle between the plane parallel to the surface of the cell frame and an inner side of the cutting edge (i.e. facing the active cell space enclosed by the cell frame). Furthermore, the membrane-side sealing contour can also have a platform with a plane parallel to the surface of the cell frame, in particular with comparable properties to the electrode-side sealing contour.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Zellrahmens einer erfindungsgemäßen Fluidzelle sind die membranseitige Dichtkontur und die elektrodenseitige Dichtkontur identisch ausgebildet, d.h. insbesondere in Anordnung und Form in gleicher Weise von der der elektrodenseitigen Abdeckung zugewandten Seite des Zellrahmens und der der der membranseitigen Abdeckung zugewandten Seite des Zellrahmens vorstehend ausgebildet. Dies ermöglicht eine universelle Verwendbarkeit des Zellrahmens, bei der die elektrodenseitige und die membranseitige Abdeckung frei tauschbar sind. Dies bietet insbesondere in einer Stapelanwendung hohe Freiheitsgrade.According to a particularly preferred embodiment of the cell frame of a fluid cell according to the invention, the membrane-side sealing contour and the electrode-side sealing contour are identical, i.e. in particular in arrangement and shape in the same way from the side of the cell frame facing the electrode-side cover and the side of the cell frame facing the membrane-side cover educated. This enables universal usability of the cell frame, in which the electrode-side and membrane-side covers can be freely exchanged. This offers high degrees of freedom, especially in a batch application.

Erfindungsgemäß kann die membranseitige Abdeckung aus einem bezogen auf die zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen und der elektrodenseitigen sowie der membranseitigen Abdeckung weichen, d.h. insbesondere durch die Verbindungsdruckkraft elastisch verformbaren, Material bestehen und die membranseitige Dichtkontur zum Eindringen in die membranseitige Abdeckung ausgebildet sein. In diesem Fall beruht die Dichtwirkung insbesondere auf einer elastischen Verformung der Dichtung, wenn die Dichtung durch die Verbindungsdruckkraft gegen die Dichtkontur gedrückt wird.According to the invention, the membrane-side cover can consist of a material that is soft in relation to the connecting pressure force generated for sealing between the cell frame and the electrode-side and the membrane-side cover, i.e. in particular that can be elastically deformed by the connecting pressure force, and the membrane-side sealing contour can be designed to penetrate into the membrane-side cover. In this case, the sealing effect is based in particular on an elastic deformation of the seal when the seal is pressed against the sealing contour by the connection pressure force.

Eine besonders gute Dichtwirkung lässt sich in diesem Fall erreichen, wenn die membranseitige Dichtkontur erfindungsgemäß ein Podest mit einer zu der Oberfläche des Zellrahmens parallelen Ebene aufweist, die als plane glatte Fläche ausgebildet ist und mit dem unter der Verbindungsdruckkraft elastisch verformbaren Material der membranseitigen Abdeckung eine (ggf. zu der Schneidkante zusätzliche) Dichtfläche ausbildet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die membranseitige Abdeckung auch aus einem plastisch verformbaren Material bestehen, in das die Ionenaustauschmembran in grundsätzlich bekannter Weise abdichtend eingebracht ist. In diesem Fall erfolgt die Abdichtung entsprechend durch plastisches Fließen.A particularly good sealing effect can be achieved in this case if, according to the invention, the membrane-side sealing contour has a platform with a plane parallel to the surface of the cell frame, which is designed as a flat, smooth surface and with the material of the membrane-side cover that is elastically deformable under the connecting pressure force ( if necessary, forms an additional sealing surface to the cutting edge. According to an alternative embodiment, the membrane-side cover can also consist of a plastically deformable material into which the ion exchange membrane is sealingly inserted in a basically known manner. In this case, sealing is carried out using plastic flow.

Wenn die membranseitige Abdeckung aus einem bezogen auf die zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen und der elektrodenseitigen sowie der membranseitigen Abdeckung nicht elastisch und/oder plastisch verformbaren Material besteht, kann erfindungsgemäß zur Abdichtung eine bezogen auf die Verbindungskraft elastisch verformbare Dichtung zwischen die Dichtkontur des Zellrahmens und die membranseitige Abdeckung zwischengelegt werden. Dies ist bspw. der Fall, wenn die membranseitige Abdeckung durch eine feste Teichfolie gebildet ist, in die die Ionenaustauschmembran in grundsätzlich bekannter Weise abdichtend eingebracht ist, bspw. durch Verkleben, Verpressen oder Verschweißen (insbesondere chemisches Verschweißen von Kunststoffmaterialien.)If the membrane-side cover consists of a material that is not elastically and/or plastically deformable in relation to the connecting pressure force generated for sealing between the cell frame and the electrode-side and the membrane-side cover, then, according to the invention, an elastically deformable seal in relation to the connecting force can be used for sealing between the sealing contour of the cell frame and the membrane-side cover must be placed between them. This is the case, for example, if the membrane-side cover is formed by a solid pond liner, into which the ion exchange membrane is sealingly inserted in a generally known manner, for example by Ver gluing, pressing or welding (especially chemical welding of plastic materials.)

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die elektrodenseitige Abdeckung als Bipolarplatte ausgebildet sein, die auf den abgewandten Plattenoberflächen eine unterschiedliche Polung aufweist. Hierdurch kann die Bipolarplatte die Anode einer Fluidzelle und die Katode einer benachbarten Fluidzelle in einem Stapelaufbau mehrerer Fluidzellen des Energiespeichers bilden. Hierdurch wird die Anzahl der Bauteile und Plattenelemente des Energiespeichers im Stapelaufbau mehrerer Fluidzellen vermindert, was den Aufbau vereinfacht und die Bauhöhe des Stapelaufbaus reduziert.According to a further preferred embodiment, the electrode-side cover can be designed as a bipolar plate which has a different polarity on the plate surfaces facing away from it. As a result, the bipolar plate can form the anode of a fluid cell and the cathode of an adjacent fluid cell in a stack structure of several fluid cells of the energy storage. This reduces the number of components and plate elements of the energy storage in the stack structure of several fluid cells, which simplifies the structure and reduces the overall height of the stack structure.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei gehören alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale zusammen oder beliebiger fachmännisch sinnvoller Kombination zum Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in beschriebenen bzw. dargestellten Ausführungsbeispielen oder in den Ansprüchen.Further advantages, features and possible applications of the invention also emerge from the following description of exemplary embodiments and the drawing. All described and/or illustrated features together or any combination that makes sense from a professional perspective are part of the subject matter of the invention, regardless of their summary in the described or illustrated exemplary embodiments or in the claims.

Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Fluidzelle gemäß einer ersten Ausführungsform in der Seitenansicht;
2 den Zellrahmen der erfindungsgemäßen Fluidzelle gemäß 1 in der Seitenansicht;
3 den Zellrahmen der erfindungsgemäßen Fluidzelle gemäß 1 in der Aufsicht;
4 eine Stapelanordnung von zwei erfindungsgemäßen Fluidzellen zur Bildung eines Redox-Flow-Batterie-Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Schnittdarstellung entlang der Längsmittelachse A-A des Zellrahmens entsprechend 3;
5 eine Detail-Schnittdarstellung der Dichtkontur des Zellrahmens mit einer elektrodenseitigen Abdeckung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
6 eine Detail-Schnittdarstellung der Dichtkontur des Zellrahmens mit einer elektrodenseitigen Abdeckung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Show it:

1 a fluid cell according to the invention according to a first embodiment in side view;
2 the cell frame of the fluid cell according to the invention 1 in side view;
3 the cell frame of the fluid cell according to the invention 1 in supervision;
4 a stack arrangement of two fluid cells according to the invention to form a redox flow battery energy storage according to a further embodiment in a sectional view along the longitudinal central axis AA of the cell frame 3 ;
5 a detailed sectional view of the sealing contour of the cell frame with an electrode-side cover according to a further embodiment; and
6 a detailed sectional view of the sealing contour of the cell frame with an electrode-side cover according to a further embodiment.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Fluidzelle 100 eines als Redox-Flow-Batterie ausgebildeten Energiespeichers in einer Seitenansicht dargestellt. Der Energiespeicher weist auf mindestens eine erste Fluidzelle 100 und eine zweite Fluidzelle 200, die im Zusammenbau als Stapelanordnung 1 in 4 dargestellt sind.In 1 a fluid cell 100 according to the invention of an energy storage device designed as a redox flow battery is shown in a side view. The energy storage has at least a first fluid cell 100 and a second fluid cell 200, which when assembled as a stack arrangement 1 in 4 are shown.

Die Fluidzelle 100 umfasst einen Zellrahmen 110, der einen aktiven Zellraum 111 umschließt, wie aus 3 ersichtlich. In dem Zellrahmen 110 sind (in den Zeichnungen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte) Fluidführungen zum Einleiten und Ausleiten eines Fluids in den und aus dem aktiven Zellraum 111 vorgesehen, die an einen geeigneten Fluidkreislauf angeschlossen sind, der bspw. mit einem Fluidreservoir verbunden ist.The fluid cell 100 includes a cell frame 110, which encloses an active cell space 111, as shown 3 visible. In the cell frame 110, fluid guides (not shown in the drawings for the sake of clarity) are provided for introducing and discharging a fluid into and out of the active cell space 111, which are connected to a suitable fluid circuit, which is connected, for example, to a fluid reservoir.

Die Fluidzelle 100 weist eine elektrodenseitige Abdeckung 130 auf, die vorzugsweise als Bipolarplatte ausbildet sein kann. Im Folgenden werden die Begriffe „elektrodenseitige Abdeckung“ und „Bipolarplatte“ synonym verwendet und mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. Ferner weist die Fluidzelle 100 eine membranseitige Abdeckung 150 auf, in die flüssigkeits- und gasdicht eine Ionenaustauschmembran 151 aufgenommen ist, die eine Vermischung der Fluide in der ersten und der zweiten Fluidzelle 100, 200 verhindert, aber einen Ionenaustausch erlaubt. In der Seitenansicht ist diese Ionenaustauschmembran 151 in der Regel nicht erkennbar, zur optischen Unterscheidbarkeit von elektrodenseitiger Abdeckung 130 und membranseitiger Abdeckung in 1 gleichwohl punktiert dargestellt.The fluid cell 100 has an electrode-side cover 130, which can preferably be designed as a bipolar plate. In the following, the terms “electrode-side cover” and “bipolar plate” are used synonymously and are referred to with the same reference number. Furthermore, the fluid cell 100 has a membrane-side cover 150, in which an ion exchange membrane 151 is accommodated in a liquid and gas-tight manner, which prevents mixing of the fluids in the first and second fluid cells 100, 200, but allows ion exchange. In the side view, this ion exchange membrane 151 is generally not visible, in order to visually distinguish the electrode-side cover 130 and the membrane-side cover 1 nevertheless shown in dotted form.

Der Zellrahmen 110, die elektrodenseitige Abdeckung 130 und die membranseitige Abdeckung 150 begrenzen den aktiven Zellraum 111 räumlich, wobei zwischen dem Zellrahmen 110 und der elektrodenseitigen Abdeckung 130 eine flüssigkeitsdichte und/oder gasdichte elektrodenseitige Abdichtung 140 sowie zwischen dem Zellrahmen 110 und der membranseitigen Abdeckung 150 eine flüssigkeitsdichte und/oder gasdichte membranseitige Abdichtung 160 ausgebildet sind.The cell frame 110, the electrode-side cover 130 and the membrane-side cover 150 spatially delimit the active cell space 111, with a liquid-tight and/or gas-tight electrode-side seal 140 between the cell frame 110 and the electrode-side cover 130 and one between the cell frame 110 and the membrane-side cover 150 liquid-tight and / or gas-tight membrane-side seal 160 are formed.

Erfindungsgemäß weist die elektrodenseitige Abdichtung 140 eine an dem Zellrahmen 110 ausbildete und mit diesem vorzugsweise einteilig verbundene elektrodenseitige Dichtkontur 141 auf, die der elektrodenseitigen Abdeckung 130 zugewandt ist und in die elektrodenseitigen Abdeckung 130 eindringt, wie aus der Schnittdarstellung 4 ersichtlich. Dazu besteht der Zellrahmen 110 aus einem bezogen auf die zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen 110 und der elektrodenseitigen Abdeckung 130 harten, d.h. insbesondere durch die Verbindungsdruckkraft nicht elastisch und/oder nicht plastisch verformbaren, Material. Dies kann bspw. ein Polypropylen-Werkstoff sein, der eine Herstellung des Zellrahmens 110 mit der elektrodenseitigen Dichtkontur 141 in einem herstellungstechnisch einfachen und kostengünstigen Spritzgussverfahren erlaubt.According to the invention, the electrode-side seal 140 has an electrode-side sealing contour 141 which is formed on the cell frame 110 and is preferably connected to it in one piece, which faces the electrode-side cover 130 and penetrates into the electrode-side cover 130, as shown in the sectional view 4 visible. For this purpose, the cell frame 110 consists of a material that is hard in relation to the connecting pressure force generated for sealing between the cell frame 110 and the electrode-side cover 130, that is, in particular, not elastically and/or not plastically deformable due to the connecting pressure force. This can be, for example, a polypropylene material that allows the cell frame 110 to be manufactured with the electrode-side sealing contour 141 in one Injection molding processes that are simple and cost-effective in terms of manufacturing technology are permitted.

Um eine zuverlässige elektrodenseitige Abdichtung 140 zu erreichen, besteht die elektrodenseitige Abdeckung 130 aus einem bezogen auf die zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen 110 und der elektrodenseitigen Abdeckung 130 weichen, d.h. insbesondere durch die Verbindungsdruckkraft plastisch verformbaren, Material. Bei Aufbringen der Verbindungsdruckkraft, bspw. durch Einspannen der Fluidzelle 100 gemäß 1 oder der Stapelanordnung gemäß 4 mit der Verbindungsdruckkraft, beginnt das weiche Material der elektrodenseitigen Abdeckung 130 zu fließen und setzt die Unebenheiten der Dichtkontur 141 zu. Nach dem elastischen Fließen findet eine Verfestigung statt, die eine fluiddichte, insbesondere flüssigkeits- und/oder gasdichte, Verbindung der beiden Komponenten (Zellrahmen 110 und Abdeckung 130) erzeugt. Die elektrodenseitige Abdeckung 130 ist dazu bspw. aus einem (verglichen mit dem die Dichtkontur 141 bildenden Polypropylen-Werkstoff) weichen Kunststoff-Grafit-Verbundwerkstoff aufgebaut. Derartige Bipolarplatten sind dem Fachmann bekannt und verfügbar.In order to achieve a reliable electrode-side seal 140, the electrode-side cover 130 consists of a material that is soft in relation to the connecting pressure force generated for sealing between the cell frame 110 and the electrode-side cover 130, that is, in particular, plastically deformable by the connection pressure force. When applying the connection pressure force, for example by clamping the fluid cell 100 according to 1 or according to the stacking arrangement 4 With the connection pressure force, the soft material of the electrode-side cover 130 begins to flow and blocks the unevenness of the sealing contour 141. After the elastic flow, solidification takes place, which creates a fluid-tight, in particular liquid and/or gas-tight, connection of the two components (cell frame 110 and cover 130). For this purpose, the electrode-side cover 130 is made, for example, of a soft plastic-graphite composite material (compared to the polypropylene material forming the sealing contour 141). Such bipolar plates are known and available to those skilled in the art.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die membranseitige Abdichtung 160 zwischen dem Zellrahmen 110 und der membranseitigen Abdeckung 150 eine membranseitige Dichtkontur 161 auf, die optimaler Weise genauso aufgebaut und ausgebildet ist, wie die vorbeschriebene elektrodenseitige Dichtkontur 141.In the exemplary embodiment shown, the membrane-side seal 160 between the cell frame 110 and the membrane-side cover 150 has a membrane-side sealing contour 161, which is optimally constructed and designed in the same way as the above-described electrode-side sealing contour 141.

Um eine zuverlässige membranseitige Abdichtung 160 zu erreichen, besteht die membranseitige Abdeckung 150 vorzugweise aus einem bezogen auf die zur Abdichtung erzeugte Verbindungsdruckkraft zwischen dem Zellrahmen 110 und der membranseitigen Abdeckung 150 weichen, d.h. insbesondere durch die Verbindungsdruckkraft elastisch verformbaren, Material. Die membranseitige Dichtkontur 161 dringt bei Aufbringen der Verbindungsdruckkraft in die membranseitige Abdeckung 150 ein und verformt deren Material an dieser Stelle elastisch. Hierdurch wird unmittelbar eine elastische Abdichtung zwischen dem Zellrahmen 110 und der membranseitigen Abdeckung 150 erreicht. Auch wenn dies einen besonders bevorzugten Anwendungsfall darstellt, ist die Erfindung nicht auf diese in den Figuren darstellte Ausführungsform beschränkt.In order to achieve a reliable membrane-side seal 160, the membrane-side cover 150 preferably consists of a material that is soft in relation to the connecting pressure force generated for sealing between the cell frame 110 and the membrane-side cover 150, i.e. in particular that is elastically deformable due to the connection pressure force. When the connecting pressure force is applied, the membrane-side sealing contour 161 penetrates into the membrane-side cover 150 and elastically deforms its material at this point. This immediately results in an elastic seal between the cell frame 110 and the membrane-side cover 150. Even if this represents a particularly preferred application, the invention is not limited to this embodiment shown in the figures.

Wenn das Material der membranseitigen Abdeckung 150 nicht ausreichend elastisch ist, um bei Aufbringen der Verbindungsdruckkraft zu einer (klassischen) Abdichtung durch elastisches Verformen des Dichtmaterials gegen die im Verglich harte (sich nicht verformende) Dichtfläche zu führen (bspw. eine Teichfolie), kann erfindungsgemäß insbesondere eine elastische Dichtung zwischen Zellrahmen 110 und membranseitige Abdeckung 150 zwischengelegt werden, die gegen an Zellrahmen 110 und membranseitiger Abdeckung 150 ausgebildeten Dichtflächen die erforderliche Dichtwirkung erzeugt. Diese Ausführungsform ist in den Figuren nicht dargestellt.If the material of the membrane-side cover 150 is not sufficiently elastic to lead to a (classic) seal when the connection pressure force is applied by elastically deforming the sealing material against the comparatively hard (non-deforming) sealing surface (e.g. a pond liner), according to the invention In particular, an elastic seal can be placed between the cell frame 110 and the membrane-side cover 150, which produces the required sealing effect against sealing surfaces formed on the cell frame 110 and the membrane-side cover 150. This embodiment is not shown in the figures.

2 zeigt den Zellrahmen 110 in einem nicht mit der elektrodenseitigen Abdeckung 130 und der membranseitigen Abdeckung 150 zu der Fluidzelle 100 verbauten Zustand. Die elektrodenseitige Dichtkontur 141 und die membranseitige Dichtkontur 161 stehen von dem Zellrahmen jeweils in Richtung der entsprechenden Abdeckung 130, 150 vor, und sind in dem hier dargestellten Beispiel gleich aufgebaut. 2 shows the cell frame 110 in a state that is not installed with the electrode-side cover 130 and the membrane-side cover 150 to form the fluid cell 100. The electrode-side sealing contour 141 and the membrane-side sealing contour 161 each protrude from the cell frame in the direction of the corresponding cover 130, 150 and are constructed the same way in the example shown here.

Klarstellend wird darauf hingewiesen, dass auch eine Fluidzelle 100, 200 mit nur einer elektrodenseitigen Dichtkontur 141 und ohne das Ausbilden der in den Figuren dargestellten membranseitigen Dichtkontur 161 zum Gegenstand der Erfindung gehört. In diesem Fall kann die Abdichtung zwischen Zellrahmen 110 und membranseitiger Abdeckung 150 bspw. durch Zwischenlegen einer elastischen Dichtung oder durch eine stoffschlüssige Verbindung (mittels Verkleben oder Verschweißen, wie Kunststoffverschweißen durch chemische Verbindung) erfolgen.To clarify, it should be noted that a fluid cell 100, 200 with only one electrode-side sealing contour 141 and without the formation of the membrane-side sealing contour 161 shown in the figures is also part of the subject matter of the invention. In this case, the seal between the cell frame 110 and the membrane-side cover 150 can take place, for example, by interposing an elastic seal or by a cohesive connection (by means of gluing or welding, such as plastic welding by chemical bonding).

Der Aufsicht auf den Zellrahmen 110 gemäß 3 ist zu entnehmen, dass die Dichtkontur (hier dargestellt: die elektrodenseitige Dichtkontur 141) die den aktiven Zellraum 111 bildende Öffnung in dem Zellrahmen 110 vollständig umschließt, um im Zusammenwirken mit der Abdeckung (hier dargestellt: der elektrodenseitigen Abdeckung 130) den aktiven Zellraum 111 gas- und flüssigkeitsdicht abzudichten. Die Dichtkontur 141 ist als Schneidkante 142 ausbildet, die von einer Oberfläche 112 des Zellrahmens 110 in Richtung der Abdeckung 130 vorsteht.The view of the cell frame 110 according to 3 It can be seen that the sealing contour (shown here: the electrode-side sealing contour 141) completely encloses the opening in the cell frame 110 forming the active cell space 111 in order to seal the active cell space 111 in cooperation with the cover (shown here: the electrode-side cover 130). - and liquid-tight seal. The sealing contour 141 is designed as a cutting edge 142, which protrudes from a surface 112 of the cell frame 110 in the direction of the cover 130.

In 3 ist dies für die elektrodenseitige Dichtkontur 141 gezeigt, gilt in entsprechender Weise aber genauso für die membranseitige Dichtkontur 161 mit der entsprechenden Schneidkante 162.In 3 This is shown for the electrode-side sealing contour 141, but also applies in a corresponding manner to the membrane-side sealing contour 161 with the corresponding cutting edge 162.

Jede der Schneidkanten 142, 162 weist eine innere Seite 143, 163 der Schneidkante 142, 162 und eine äußere Seite 144, 164 der Schneidkante142, 162 auf, wobei die innere Seite 143, 163 dem aktiven Zellraum 111 zugewandt und die äußere Seite 144, 164 dem aktiven Zellraum 111 abgewandt ist. Dies ist in 4 deutlich zu erkennen.Each of the cutting edges 142, 162 has an inner side 143, 163 of the cutting edge 142, 162 and an outer side 144, 164 of the cutting edge 142, 162, the inner side 143, 163 facing the active cell space 111 and the outer side 144, 164 faces away from the active cell space 111. This is in 4 clearly visible.

4 umfasst insgesamt eine erste Fluidzelle 100 und eine zweite Fluidzelle 200 mit jeweils einem Zellrahmen 110, 210, jeweils einer (als Bipolarplatte ausgebidenten) elektrodenseitigen Abdeckung 130, 230 und einer membranseitigen Abdeckung 150, 250 mit der lonenaustauchmembran 151, 251, die als eine gemeinsame Abdeckung 150, 250 der Fluidzellen 100, 200 ausgebildet und zwischen den Zellrahmen 110, 210 angeordnet ist. In der Schnittdarstellung durch die Zellrahmen 110 entlang der Linie A-A aus 3 sind jeweils die aktiven Zellräume 111, 211 erkennbar. Durch diese Anordnung wird ein Energiespeicher einer Redox-Flow-Batterie gebildet, wobei erfindungsgemäß auch mehrere erste und zweiten Fluidzellen 100, 200 übereinander zu einem Energiespeicher gestapelt angeordnet sein können. 4 comprises a total of a first fluid cell 100 and a second fluid cell 200, each with a cell frame 110, 210, each with an electrode-side cover 130, 230 (designed as a bipolar plate) and a membrane-side cover 150, 250 with the ion exchange membrane 151, 251, which acts as a common cover 150, 250 of the fluid cells 100, 200 and is arranged between the cell frames 110, 210. In the sectional view through the cell frame 110 along line AA 3 the active cell spaces 111, 211 can be seen. This arrangement forms an energy storage device of a redox flow battery, and according to the invention, a plurality of first and second fluid cells 100, 200 can also be arranged stacked one above the other to form an energy storage device.

Die elektrodenseitigen und membranseitigen Dichtkonturen 141, 161 sind jeweils gleich aufgebaut, und der Übersichtlichkeit halber nur einmal mit Bezugszeichen versehen.The electrode-side and membrane-side sealing contours 141, 161 are each constructed the same and, for the sake of clarity, are only provided with reference numbers once.

Mit Bezug auf die Detaildarstellungen der 5 und 6 sind weitere Ausführungen von Dichtkonturen am Beispiel von elektrodenseitigen Dichtkonturen 341 (5) und 441 (6) dargestellt. Entsprechende Ausführungsformen können auch für (in den Zeichnungen nicht dargestellte) membranseitige Dichtkonturen gelten.With reference to the detailed representations of the 5 and 6 are further versions of sealing contours using the example of electrode-side sealing contours 341 ( 5 ) and 441 ( 6 ) shown. Corresponding embodiments can also apply to membrane-side sealing contours (not shown in the drawings).

Die elektrodenseitige Dichtkontur 341 gemäß 5 ist einteilig an einem Zellrahmen 110 festgelegt und in abdichtender Verbindung mit einer elektrodenseitigen Abdeckung 130 (insbesondere als Bipolarplatte ausgebildet) dargestellt. Auch die Dichtkontur 341 bildet eine Schneidkante 342 aus, die mit der elektrodenseitigen Abdeckung 130 eine elektrodenseitige Abdichtung 340 bildet. Die Schneidkante 342 hat - entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungsformen - eine innere Seite 343 und eine äußere Seite 344. Der Winkel 346 zwischen einer zu der Oberfläche 112 des Zellrahmens 110 parallelen Ebene und einer äußeren Seite 344 der Schneidkante 342 ist kleiner als der Winkel 345 zwischen der zu der Oberfläche 112 des Zellrahmens 110 parallelen Ebene und einer inneren Seite 343 der Schneidkante 342. Hierdurch wird die elektrodenseitige Abdeckung 130 unter Einwirkung der Verbindungsdruckkraft gestrafft.The electrode-side sealing contour 341 according to 5 is fixed in one piece to a cell frame 110 and shown in a sealing connection with an electrode-side cover 130 (in particular designed as a bipolar plate). The sealing contour 341 also forms a cutting edge 342, which forms an electrode-side seal 340 with the electrode-side cover 130. The cutting edge 342 has - according to the previously described embodiments - an inner side 343 and an outer side 344. The angle 346 between a plane parallel to the surface 112 of the cell frame 110 and an outer side 344 of the cutting edge 342 is smaller than the angle 345 between the plane parallel to the surface 112 of the cell frame 110 and an inner side 343 of the cutting edge 342. As a result, the electrode-side cover 130 is tightened under the action of the connection pressure force.

Die in 6 dargestellte elektrodenseitige Dichtkontur 441 ist vergleichbar aufgebaut. Auch diese ist einteilig an einem Zellrahmen 110 festgelegt und in abdichtender Verbindung mit einer elektrodenseitigen Abdeckung 130 (insbesondere als Bipolarplatte ausgebildet) dargestellt. Auch die Dichtkontur 441 bildet eine Schneidkante 442 aus, die mit der elektrodenseitigen Abdeckung 130 eine elektrodenseitige Abdichtung 440 bildet. Die Schneidkante 442 hat - entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungsformen - eine innere Seite 443 und eine äußere Seite 444. Der Winkel 446 zwischen einer zu der Oberfläche 112 des Zellrahmens 110 parallelen Ebene und einer äußeren Seite 444 der Schneidkante 442 ist kleiner als der Winkel 445 zwischen der zu der Oberfläche 112 des Zellrahmens 110 parallelen Ebene und einer inneren Seite 443 der Schneidkante 342. Hierdurch wird die elektrodenseitige Abdeckung 130 unter Einwirkung der Verbindungsdruckkraft gestrafft.In the 6 Electrode-side sealing contour 441 shown has a comparable structure. This is also fixed in one piece to a cell frame 110 and is shown in a sealing connection with an electrode-side cover 130 (in particular designed as a bipolar plate). The sealing contour 441 also forms a cutting edge 442, which forms an electrode-side seal 440 with the electrode-side cover 130. The cutting edge 442 has - in accordance with the previously described embodiments - an inner side 443 and an outer side 444. The angle 446 between a plane parallel to the surface 112 of the cell frame 110 and an outer side 444 of the cutting edge 442 is smaller than the angle 445 between the to the surface 112 of the cell frame 110 parallel plane and an inner side 443 of the cutting edge 342. As a result, the electrode-side cover 130 is tightened under the action of the connection pressure force.

Zwischen der Schneidkante 442 und der Oberfläche 112 des Zellrahmens weist die elektrodenseitige Dichtkontur 441 ein Podest 447 mit einer zu der Oberfläche 112 des Zellrahmens 110 parallelen Ebene 448 (auch als Fläche 448 bezeichnet) auf. Die Schneidkante 442 ist von diesem Podest 447 vorstehend ausgebildet. Wie aus 6 ersichtlich wirkt das Podest 447 als Distanzstück oder Distanzelement zwischen dem Zellrahmen 110 und der elektrodenseitigen Abdeckung 130. Dadurch wird der Abstand zwischen Zellrahmen 110 und elektrodenseitiger Abdeckung 130 definiert vorgegeben. Dies bewirkt erfindungsgemäß, dass die Größe des aktiven Zellraums 111 bei allen Fluidzellen 110, 120 einer Stapelanordnung gleich ist. Außerdem kann die ebene Fläche 448 des Podests 447 mit elastischem Werkstoff zusammen als Dichtfläche wirken.Between the cutting edge 442 and the surface 112 of the cell frame, the electrode-side sealing contour 441 has a pedestal 447 with a plane 448 (also referred to as surface 448) parallel to the surface 112 of the cell frame 110. The cutting edge 442 is designed to protrude from this pedestal 447. How out 6 As can be seen, the pedestal 447 acts as a spacer or spacer element between the cell frame 110 and the electrode-side cover 130. As a result, the distance between the cell frame 110 and the electrode-side cover 130 is defined in a defined manner. According to the invention, this causes the size of the active cell space 111 to be the same for all fluid cells 110, 120 of a stack arrangement. In addition, the flat surface 448 of the pedestal 447 can act together with elastic material as a sealing surface.

Vorzugsweise sind auch bei dieser Ausführungsform der Zellrahmen 110, das Podest 447 und die Schneidkante 442 einteilig ausgebildet, bspw. in einem Spritzgussverfahren.In this embodiment, too, the cell frame 110, the platform 447 and the cutting edge 442 are preferably formed in one piece, for example in an injection molding process.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11: Stapelanordnung mit erster und zweiter FluidzelleStack arrangement with first and second fluid cells
100100: FluidzelleFluid cell
110110: ZellrahmenCell frame
111111: aktiver Zellraumactive cell space
112112: Oberfläche des ZellrahmensCell frame surface
130130: elektrodenseitige Abdeckung, insbesondere als Bipolarplatte ausgebildetElectrode-side cover, in particular designed as a bipolar plate
140140: elektrodenseitige Abdichtungelectrode-side sealing
141141: elektrodenseitige Dichtkonturelectrode-side sealing contour
142142: Schneidkantecutting edge
143143: innere Seite der Schneidkanteinner side of the cutting edge
144144: äußere Seite der Schneidkante outer side of the cutting edge
150150: membranseitige Abdeckungmembrane-side cover
151151: lonenaustauchmembranion exchange membrane
160160: membranseitige Abdichtungmembrane-side sealing
161161: membranseitige Dichtkonturmembrane-side sealing contour
162162: Schneidkantecutting edge
163163: innere Seite der Schneidkanteinner side of the cutting edge
164164: äußere Seite der Schneidkante outer side of the cutting edge
200200: FluidzelleFluid cell
210210: ZellrahmenCell frame
211211: aktiver Zellraumactive cell space
230230: elektrodenseitige Abdeckungelectrode side cover
250250: membranseitige Abdeckungmembrane-side cover
251251: lonenaustauschmembranion exchange membrane
340340: elektrodenseitige Abdichtungelectrode-side sealing
341341: elektrodenseitige Dichtkonturelectrode-side sealing contour
343343: innere Seite der Schneidkanteinner side of the cutting edge
344344: äußere Seite der Schneidkanteouter side of the cutting edge
345345: Winkelangle
346346: Winkel angle
440440: elektrodenseitige Abdichtungelectrode-side sealing
441441: elektrodenseitige Dichtkonturelectrode-side sealing contour
443443: innere Seite der Schneidkanteinner side of the cutting edge
444444: äußere Seite der Schneidkanteouter side of the cutting edge
445445: Winkelangle
446446: Winkelangle
447447: PodestPedestal
448448: zu der Oberfläche des Zellrahmens parallele Ebene des Podestsplane of the platform parallel to the surface of the cell frame

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 212015000124 U1 [0002]
EP 2818582 A1 [0004]
WO 2016/033147 A1 [0005]

Claims

Fluid cell of an energy storage device having at least one first and at least one second fluid cell (100, 200), an ion exchange membrane (151) being arranged between each first and second fluid cell (100, 200), which prevents mixing of fluids in the first and second fluid cells (100, 200) prevents, but allows ion exchange, with a cell frame (110, 210) which encloses an active cell space (111, 211) of the fluid cell (100, 200) and in which fluid guides are formed for introducing and discharging the fluid are, with an electrode-side cover (130, 230) on one side of the cell frame (110, 210) and a membrane-side cover (150, 250) on the other side of the cell frame (110, 210) such that the cell frame (110, 210 ), the electrode-side cover (130, 230) and the membrane-side cover (150, 250) spatially delimit the active cell space (111, 211) of the fluid cell (100, 200), between the cell frame (110, 210) and the electrode-side cover (130, 230) a liquid-tight and/or gas-tight electrode-side seal (140, 340, 440) and a membrane-side liquid-tight and/or gas-tight seal (160) is formed between the cell frame (110, 210) and the membrane-side cover (150, 250). are, characterized in that the cell frame (110, 210) consists of a connection pressure force between the cell frame (110, 210) and the electrode-side and the membrane-side cover (130, 150; 230, 250) consists of hard material, and on the side facing the electrode-side cover (130, 230) has an electrode-side sealing contour (141, 341, 441) for penetration into the electrode-side cover (130, 230), and that the electrode-side cover ( 130, 230) consists of a soft material based on the connecting pressure force between the cell frame (110, 210) and the electrode-side and membrane-side cover (130, 230; 150, 250).

fluid cell Claim 1 , characterized in that the electrode-side sealing contour (141, 341, 441) is designed as a cutting edge (142, 342, 442) projecting from the surface (112) of the cell frame (110, 210) facing the electrode-side cover (130, 230).

fluid cell Claim 2 , characterized in that the angle (346, 446) between a plane parallel to the surface (112) of the cell frame (110, 210) and an outer side (144, 344, 444) of the cutting edge (142, 342, 344) is smaller is as the angle (345, 445) between the plane parallel to the surface (112) of the cell frame (110, 120) and an inner side (143, 343, 443) of the cutting edge (142, 342, 442).

Fluid cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode-side sealing contour (441) has a platform (447) with a plane (448) parallel to the surface (112) of the cell frame (110).

fluid cell Claim 4 and one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the cutting edge (442) is formed on the platform (447) of the sealing contour (441).

fluid cell Claim 1 , characterized in that the cell frame (110, 210) has a membrane-side sealing contour (161) on the side facing the membrane-side cover (150, 250), and that the ion exchange membrane (151, 251) in the membrane-side cover (150, 250) integrated in one piece or designed to be fluid-tightly connectable to it.

fluid cell Claim 6 , characterized in that the membrane-side sealing contour (161) and the electrode-side sealing contour (141, 241, 341, 441) are identical.

fluid cell Claim 6 or 7 , characterized in that the membrane-side cover (150, 250) consists of a soft material based on the connecting pressure force between the cell frame (110, 210) and the electrode-side and the membrane-side cover (130, 150; 230, 250) and the membrane-side sealing contour (161) is designed to penetrate into the membrane-side cover (150, 250).

fluid cell Claim 8 , characterized in that the membrane-side sealing contour (161) has a platform with a plane parallel to the surface of the cell frame, which is designed as a flat, smooth surface and with the material of the membrane-side cover (150, 250) which is elastically deformable under the connecting pressure force Forms sealing surface.

fluid cell Claim 6 or 7 , characterized in that the membrane-side cover (150, 250) consists of a non-elastically and/or plastically deformable material based on the connecting pressure force between the cell frame (110, 210) and the electrode-side and membrane-side covers (130, 150; 230, 250). Material consists and for sealing an elastically deformable seal based on the connecting force between the sealing contour (161) of the cell frame (110, 210) and the membrane-side cover (150, 250) is sandwiched.