DE102022124195A1

DE102022124195A1 - Fluid system of a redox flow battery

Info

Publication number: DE102022124195A1
Application number: DE102022124195.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Fb Test Dev GmbH
Current assignee: LIVA POWER MANAGEMENT SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2023-06-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidsystem einer Redox-Flow-Batterie, welche mindestens einen Zellstapel (1) aus einer Serienschaltung mehrerer Zellen umfasst, wobei die Zellen mit elektrisch leitfähigen Elektrolytlösungen versorgt werden, wobei an dem mindestens einen Zellstapel mehrere Strömungsöffnungen (101) zur form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindung des Zellstapels (1) mit den Strömungskanälen (202) eines externen Fluidkreislaufs vorgesehen sind. Das erfindungsgemäße Fluidsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass an den Strömungskanälen (202) jedenfalls ein Anschlussprofil (201) vorgesehen ist, welches dazu ausgebildet ist, Elektrolytlösung aus mindestens zwei der an dem Zellstapel (1) ausgebildeten Strömungsöffnungen (4) in einen Strömungskanal (202) zu leiten.The present invention relates to a fluid system of a redox flow battery, which comprises at least one cell stack (1) from a series connection of a plurality of cells, the cells being supplied with electrically conductive electrolyte solutions, with a plurality of flow openings (101) on the at least one cell stack to form - Cohesive and/or non-positive connection of the cell stack (1) to the flow channels (202) of an external fluid circuit are provided. The fluid system according to the invention is characterized in that at least one connection profile (201) is provided on the flow channels (202), which is designed to feed electrolyte solution from at least two of the flow openings (4) formed on the cell stack (1) into a flow channel (202). to direct.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidsystem einer Redox-Flow-Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a fluid system of a redox flow battery according to the preamble of patent claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Eine Redox-Flow-Batterie ist eine Sekundärbatterie mit flüssigem Speichermedium. Das Speichermedium in Form zweier Elektrolytlösungen wird in externen Reservoirs vorgehalten und über mindestens zwei separate Fluidkreisläufe durch den elektrochemischen Wandler der Batterie gefördert. Dieser Wandler ist aus mindestens einem Zellstapel bzw. Stack aufgebaut, welcher aus einer Serienschaltung möglichst vieler Zellen besteht. Jede dieser Zellen muss mit beiden Elektrolytlösungen versorgt werden. Dabei werden die elektrisch in Serie geschalteten Zellen üblicherweise hydraulisch parallel angeschlossen. Die Elektrolytlösungen sind elektrisch leitfähig. Damit sind die Zellen untereinander kurzgeschlossen, was zu Nebenschlussströmen bzw. Shunt-Strömen führt und durch diese zu einer Herabsetzung von Effizienz und Lebensdauer. Shunt-Ströme können durch die Einbringung eines elektrischen Widerstands zwischen den Zellen in Form einer Strömungskanalstrecke mit entsprechender Länge und entsprechend geringem Querschnitt unterdrückt werden. Allerdings geht damit ein erhöhter Druckverlust einher. Somit besteht bei der Auslegung eines Stacks ein grundlegender Auslegungswiderspruch zwischen elektrischen und hydraulischen Verlusten. Weiterhin wird für einen Stack eine möglichst hohe Leistungsdichte angestrebt, was durch Zellen mit einer geringen Kavitätshöhe von < 4mm, besser < 3mm möglicherweise auch < 2mm erzielt werden kann - der Stack wird dadurch auch kompakter und benötigt bei gleicher Leistung weniger Raum.A redox flow battery is a secondary battery with a liquid storage medium. The storage medium in the form of two electrolyte solutions is kept in external reservoirs and conveyed through the electrochemical converter of the battery via at least two separate fluid circuits. This converter is made up of at least one cell stack or stack, which consists of a series connection of as many cells as possible. Each of these cells must be supplied with both electrolyte solutions. The cells, which are electrically connected in series, are usually connected hydraulically in parallel. The electrolyte solutions are electrically conductive. The cells are thus short-circuited with one another, which leads to shunt currents or shunt currents and, as a result, to a reduction in efficiency and service life. Shunt currents can be suppressed by introducing an electrical resistance between the cells in the form of a flow channel section with a corresponding length and a correspondingly small cross section. However, this is accompanied by an increased pressure loss. Thus, when designing a stack, there is a fundamental design contradiction between electrical and hydraulic losses. Furthermore, the highest possible power density is aimed at for a stack, which can be achieved by cells with a low cavity height of < 4mm, better < 3mm possibly also < 2mm - the stack is also more compact and requires less space for the same performance.

Gemäß dem Stand der Technik wird für Redox-Flow-Batteriesysteme wie auch für andere, vergleichbare chemische Reaktoren die Strömungskanalstrecke zur Verringerung der Shunt-Ströme im Flussrahmen oder im Leitungssystem umgesetzt. Die üblicherweise angewandte Gestaltung des die Strömungskanalstrecken enthaltenden Fluidsystems innerhalb des Zellstapels, insbesondere direkt in den Flussrahmen, ist in der möglichen Dimensionierung, insbesondere durch die geringe Höhe des Flussrahmens in Stapelrichtung, und damit in der für den Stack erzielbaren Effizienz und Lebensdauer stark limitiert. Weiterhin ist die bisher angewandte Gestaltung der Strömungskanalstrecke außerhalb des Zellstapels als Schlauch- oder rohrartige Strömungskanalstrecke wenig kompakt, verhältnismäßig aufwändig in der Umsetzung und eingeschränkt in der wirksamen Zusammenfassung geeigneter Zellblöcke.According to the state of the art, for redox flow battery systems as well as for other comparable chemical reactors, the flow channel section is implemented to reduce the shunt currents in the flow frame or in the line system. The commonly used design of the fluid system containing the flow channel sections within the cell stack, in particular directly in the flow frame, is severely limited in the possible dimensioning, in particular due to the low height of the flow frame in the direction of the stack, and thus in the efficiency and service life that can be achieved for the stack. Furthermore, the previously used design of the flow channel section outside the cell stack as a hose or tube-like flow channel section is not very compact, relatively complex to implement and limited in the effective combination of suitable cell blocks.

Es werden im Stand der Technik bereits unterschiedliche Lösungsvorschläge unterbreitet, die vorgenannte Verluste in Redox-Flow-Batterien reduzieren sollen, wie bspw. in der AT 510723A4 , der US 4149952A , der WO 0225756A1 , der EP 2130244B1 , der WO 2018004466A1 , der CN 207542332U , der EP 3467924B1 , der US 10074859B2 sowie der WO 2020151953A1 . Solche Ansätze sind allerdings in technischer Hinsicht teils enorm aufwendig und regelmäßig in ihrer Effektivität eingeschränkt.There are already different proposed solutions in the prior art, which are intended to reduce the aforementioned losses in redox flow batteries, such as AT510723A4 , the US4149952A , the WO 0225756A1 , the EP2130244B1 , the WO 2018004466A1 , the CN 207542332U , the EP3467924B1 , the US10074859B2 as well as the WO 2020151953A1 . From a technical point of view, however, such approaches are sometimes extremely complex and their effectiveness is regularly limited.

Patentschrift AT 510723A4 zeigt einen Flussrahmen mit in der Ebene des Rahmens liegender Strömungskanalstrecke, dem Sekundärkanal, für Vorlauf und Rücklauf einer Elektrolytlösung. Weiterhin werden vier Strömungskanalöffnungen in Stapelrichtung gezeigt, die Primärkanäle, welche als Hauptverteilkanäle zur Versorgung aller Zellen mit den beiden Elektrolytlösungen mit Vorlauf und Rücklauf im Zellstapel wirken. Die Höhe des Sekundärkanals ist dabei durch die Höhe des Flussrahmens limitiert. Über die vier Primärkanäle wird der gesamte Zellstapel, ca. 20 bis 50 Zellen, mit Elektrolytlösungen versorgt. Die im Flussrahmen liegenden Kanäle, insbesondere die Primärkanäle, müssen in geeigneter Weise gegeneinander bzw. gegen den benachbarten Flussrahmen abgedichtet werden.patent specification AT510723A4 shows a flow frame with a flow channel section lying in the plane of the frame, the secondary channel, for the flow and return of an electrolyte solution. Furthermore, four flow channel openings are shown in the direction of the stack, the primary channels, which act as main distribution channels for supplying all cells with the two electrolyte solutions with flow and return in the cell stack. The height of the secondary channel is limited by the height of the flux frame. The entire cell stack, approx. 20 to 50 cells, is supplied with electrolyte solutions via the four primary channels. The channels in the flux frame, in particular the primary channels, must be sealed off from one another or from the adjacent flux frame in a suitable manner.

Die US 4149952A zeigt einen aus Profilelementen aufgebauten Flussrahmen, welche im Zellstapel über außenliegende Versorgungsleitungen, bzw. ein externes Fluidsystem, mit Elektrolytlösungen versorgt werden. Die dünneren, jeder Zelle zugeordneten Schlauch- oder Rohrstücke als Sekundärkanäle münden allesamt in die jeweilige neben dem Zellstapel liegenden, dickeren Hauptverteilleitung als Primärkanal. Zur Realisierung dieses Fluidsystems müssen die Flussrahmen mehrere Millimeter dick sein.The US4149952A shows a flow frame made up of profile elements, which are supplied with electrolyte solutions in the cell stack via external supply lines or an external fluid system. The thinner pieces of tubing or pipe assigned to each cell as secondary channels all open into the respective thicker main distribution line lying next to the cell stack as the primary channel. To realize this fluid system, the flux frames must be several millimeters thick.

In der WO 0225756A1 ebenso wie in der EP 2130244B1 werden an jeder Zelle für einen Fluidanschluss, bspw. Negolyt-Vorlauf oder Posolyt-Rücklauf, einzelne Schlauchstücke angeschlossen, welche dann wiederum einem gemeinsamen Primärkanal zugeführt werden. Hierbei ist der Platz für den Schlauchanschluss am Flussrahmen durch dessen Höhe limitiert. Weiterhin sind für den Zellstapel eine Vielzahl von hydraulischen Schnittstellen zur Realisierung des dargestellten Fluidsystems erforderlich.In the WO 0225756A1 as well as in the EP2130244B1 Individual hose sections are connected to each cell for a fluid connection, e.g. Negolyt flow or Posolyt return, which in turn are fed to a common primary channel. The space for the hose connection on the flux frame is limited by its height. Furthermore, a large number of hydraulic interfaces are required for the cell stack in order to implement the fluid system shown.

Die Patentschriften WO 2018004466A1 sowie CN 207542332U zeigen ebenfalls ein von jeder Zelle ausgehendes, externes Fluidsystem. Der Anschluss an die Flussrahmen einer Zelle erfolgt in einem Fall als schraubbare Verbindung, in einem anderen Fall als Schlauchtülle oder Schraubanschluss. Zur Realisierung dieses Fluidsystems müssen die Flussrahmen mehrere Millimeter dick sein, um den nötigen Platz für benannte Anschlüsse bereitzustellen. Alle Sekundärkanäle des Fluidsystems sind wieder Stackübergreifenden Primärkanälen zugeordnet.The Patent Specifications WO 2018004466A1 as well as CN 207542332U also show an external fluid system emanating from each cell. The connection to the flux frame of a cell is made in one case as a screwable connection, in one other case than hose nozzle or screw connection. To realize this fluidic system, the flux frames must be several millimeters thick to provide the necessary space for named ports. All secondary channels of the fluid system are again assigned to cross-stack primary channels.

In der EP 3467924B1 ist ein Rohr-artiges externes Fluidsystem bzw. Stack-externer Fluidverteiler gezeigt. Dieser wird als zusätzliche Stufe des Fluidsystems zu den Sekundär- und Primärkanälen des Zellstapels zur Verringerung der Shunt-Ströme eingesetzt. Angeschlossen ist es mit Flanschanschlüssen an separate Fluidverteilplatten innerhalb des Zellstapels, welche paarweise eine Mehrzahl an elektrisch seriell verschalteten Zellen, üblicherweise mehr als 20 Stück, separat mit Elektrolytlösungen versorgt. Es werden in der Patentschrift vier solcher Teilstapel bzw. Sub-Stacks mit separaten Fluidverteilplattenpaaren gezeigt, welche über vier externe Fluidsysteme miteinander verbunden sind. Um den zusätzlichen Aufwand der Fluidverteilplatten im Stapel technisch sinnvoll zu begrenzen, müssen jedem Fluidverteilplattenpaar eine möglichst große Zahl an Zellen zugeordnet werden, was zu einem Auslegungswiderspruch zwischen Nutzen in Hinblick der Shunt-Strom-Verringerung und Aufwand in Hinblick auf Teilezahl und Montage führt.In the EP3467924B1 a tube-like external fluid system or stack external fluid manifold is shown. This is used as an additional stage of the fluidic system to the secondary and primary channels of the cell stack to reduce shunt currents. It is connected with flange connections to separate fluid distribution plates within the cell stack, which separately supply electrolyte solutions to a number of pairs of electrically serially connected cells, usually more than 20 cells. The patent specification shows four such partial stacks or sub-stacks with separate pairs of fluid distribution plates, which are connected to one another via four external fluid systems. In order to limit the additional expense of the fluid distribution plates in the stack in a technically sensible way, each pair of fluid distribution plates must be assigned the largest possible number of cells, which leads to a contradiction in interpretation between the benefit in terms of the shunt current reduction and the effort in terms of the number of parts and assembly.

Aus Patentschrift US 10074859B2 ist ein System zur Begrenzung von Nebenschlussströmen in elektrochemischen Systemen bekannt, in dem eine Strömungskanalstrecke zwischen zwei Stacks als Nebenschlussstromunterdrückungsvorrichtung in Form einer Schleife eines Schlauchs oder Rohres ausgeführt ist. Die gezeigten Schlauchspiralen bringen einen gewissen Platzbedarf mit sich und stellen zusätzliche zu montierende Schnittstellen im Fluidsystem dar.From patent US10074859B2 a system for limiting shunt currents in electrochemical systems is known in which a flow channel section between two stacks is designed as a shunt current suppression device in the form of a loop of hose or pipe. The hose spirals shown require a certain amount of space and represent additional interfaces to be installed in the fluid system.

In WO 2020151953A1 wird ein Verteilermodul zum Verbinden von Teil-Zell-Stacks bzw. Sub-Stacks, also mehrerer elektrisch in Serie und hydraulisch parallel geschalteter Zellen, gezeigt. Dieses befindet sich als Teil des Zellstapels in Kraftflussrichtung der Filterpressenanordnung eines Stacks und muss damit entsprechende mechanische Eigenschaften bzw. eine hinreichend hohe Stabilität aufweisen. Alle in diesem Bauteil enthaltenen Strömungskanäle müssen separat abgedichtet werden. Weiterhin ist es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erforderlich, eine entsprechend hohe Zahl an Zellen in den jeweiligen angeschlossenen Sub-Stacks zu haben, was wiederum den Nutzen zur Shunt-Strom-Verringerung herabsetzt. Auch die Dimensionierung der in diesem Verteilmodul enthaltenen Strömungskanäle |_[HF1]ist durch die Positionierung innerhalb des Zellstapels limitiert.In WO 2020151953A1 a distribution module for connecting partial cell stacks or sub-stacks, i.e. several cells connected electrically in series and hydraulically in parallel, is shown. This is located as part of the cell stack in the direction of force flow of the filter press arrangement of a stack and must therefore have appropriate mechanical properties and a sufficiently high level of stability. All flow channels contained in this component must be sealed separately. Furthermore, for reasons of economy, it is necessary to have a correspondingly high number of cells in the respective connected sub-stacks, which in turn reduces the benefit for reducing the shunt current. The dimensioning of the flow channels contained in this distribution module | _[HF1] is limited by the positioning within the cell stack.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fluidsystem für Redox-Flow-Batterien zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile ausräumt und das geeignet ist, eine hocheffiziente Fluidförderung sowie Shunt-Strom-Verringerung zu gewährleisten, um eine hohe Effizienz, eine hohe Lebensdauer und eine wirtschaftliche Umsetzbarkeit zu erreicht.The present invention has for its object to provide a fluid system for redox flow batteries that eliminates the aforementioned disadvantages and is suitable for ensuring highly efficient fluid delivery and shunt current reduction in order to achieve high efficiency, a long service life and to achieve economic feasibility.

Die Erzielung einer hohen Wandlerspannung durch Serienschaltung einer möglichst großen Zellenzahl innerhalb eines Stacks oder über mehrere Stacks hinweg bei gleichzeitig hoher Effizienz und Lebensdauer der Wandler ist ein grundlegendes Problem von Redox-Flow-Batterien und vergleichbaren elektrochemischer Systemen.Achieving a high converter voltage by connecting the largest possible number of cells in series within a stack or across multiple stacks while maintaining high efficiency and a long service life for the converters is a fundamental problem for redox flow batteries and comparable electrochemical systems.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fluidsystems sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.According to the invention, the above object is achieved according to the preamble of claim 1 in conjunction with the characterizing features. Advantageous configurations and developments of the fluid system according to the invention are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst das Fluidsystem mindestens einen Fluidverteiler, welcher aus mindestens einem Anschlussprofil und einem Strömungskanal gebildet ist. Der Fluidverteiler ist vorteilhafterweise als integriertes Bauteil ausgebildet. Vorteilhafterweise sind ein Strömungskanal oder mehrere Strömungskanäle, bedarfsweise Strömungskanalverbindungen sowie die dazugehörigen hydraulischen Schnittstellen enthalten. Ein Fluidverteiler erster Stufe wird vorzugsweise direkt am Zellstapel angeschlossen.According to the invention, the fluid system includes at least one fluid distributor, which is formed from at least one connection profile and a flow channel. The fluid distributor is advantageously designed as an integrated component. Advantageously, one flow channel or several flow channels, if necessary flow channel connections and the associated hydraulic interfaces are included. A first stage fluid manifold is preferably connected directly to the cell stack.

Fluidverteiler ab zweiter Stufe werden vorzugsweise an einem oder mehreren darunterliegenden Fluidverteilern bzw. -Verteilern sowie am übergeordneten Fluidverteiler oder Fluidsystem des jeweiligen bzw. der jeweiligen Elektrolytkreisläufe angeschlossen. Der Fluidverteiler kann außerhalb des Zellstapels bzw. dessen Kraftflussrichtung liegend an ebendiesem angeschlossen werden. Teile des Fluidsystems können weiterhin auch innerhalb der Zellen bzw. Flussrahmen umgesetzt werden. Allerdings kann deren Länge reduziert werden und es entfallen erfindungsgemäß die erforderlichen Abdichtungen der Primärkanäle innerhalb des Zellstapels, was diesen einfacher und zuverlässiger macht. Durch die Ausführung des erfindungsgemäßen Fluidverteilers als integriertes Bauteil wird die Anzahl an Komponenten und Schnittstellen sowie der Herstell- und Montageaufwand des Fluidsystems im Allgemeinen im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. Dabei wird gleichzeitig der beschriebenen, technischen Vorteile in Hinblick auf Shunt-Strom-Verringerung bei geringen hydraulischen Verlusten realisiert.Fluid distributors from the second stage are preferably connected to one or more underlying fluid distributors or distributors as well as to the superordinate fluid distributor or fluid system of the respective electrolyte circuit(s). The fluid distributor can be connected to the same lying outside of the cell stack or its direction of force flow. Furthermore, parts of the fluid system can also be implemented within the cells or flow frames. However, their length can be reduced and, according to the invention, the required sealing of the primary channels within the cell stack is omitted, which makes it simpler and more reliable. Due to the design of the fluid distributor according to the invention as an integrated component, the number of components and interfaces as well as the manufacturing and assembly costs of the fluid system are generally significantly reduced compared to the prior art. At the same time, the technical advantages described in terms of Shunt current reduction realized with low hydraulic losses.

Strömungskanalform und -AuslegungsfreiheitFlow channel shape and design freedom

Ein Fluidverteiler enthält vorzugsweise Strömungskanäle mit näherungsweise rechteckigem, besser quadratischem, idealerweise aber kreisförmigem Strömungsquerschnitt. Die Dimensionierung der Strömungskanalquerschnitte bzw. Durchmesser kann im erfindungsgemäßen Stackexternen Fluidverteiler unabhängig von der Höhe der einzelnen Flussrahmen der Zellen erfolgen. Ebenso können die Strömungskanallängen durch die Größe bzw. Anzahl an Stufen des Fluidverteilers - vorzugsweise nicht aber durch die Dimensionen der Zellen - vorgegeben sein. Werden die Sekundärkanäle zur Shunt-Strom-Verringerung ausschließlich innerhalb der Zelle bzw. innerhalb eines Flussrahmens umgesetzt, so entsteht hier ein ungünstiger, rechteckiger Strömungsquerschnitt. Durch die limitierte Flussrahmenhöhe muss der Strömungskanal deutlich breiter als hoch ausgeführt werden, wodurch bei dann gegebenem Strömungsquerschnitt der wirksame Querschnitt für die Shunt-Strom-Leitung mit einem ungünstig hohen hydraulischen Widerstand für die Leitung der Elektrolytlösungen verknüpft ist. Diese Limitierung wird mit der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluidsystems im Wesentlichen überwunden.A fluid distributor preferably contains flow channels with an approximately rectangular, better square, but ideally circular flow cross section. The dimensioning of the flow channel cross sections or diameters can take place in the stack-external fluid distributor according to the invention independently of the height of the individual flow frames of the cells. Likewise, the flow channel lengths can be predetermined by the size or number of stages of the fluid distributor—but preferably not by the dimensions of the cells. If the secondary channels to reduce the shunt current are implemented exclusively within the cell or within a flow frame, an unfavorable, rectangular flow cross-section results here. Due to the limited flux frame height, the flow channel must be made significantly wider than it is high, which means that, with the given flow cross section, the effective cross section for the shunt current line is linked to an unfavorably high hydraulic resistance for the line of the electrolyte solutions. This limitation is essentially overcome with the configuration of the fluid system according to the invention.

Kaskadierung der StrömungskanalstrukturCascading flow channel structure

Die Fluidverteiler können innerhalb ihrer jeweiligen Struktur oder über ihre hydraulischen Schnittstellen einzelne Strömungskanäle zusammenfassen und einem übergeordnetem Strömungskanal größeren Querschnitts zuordnen. Damit kann eine Kaskadierung der Strömungskanalstruktur eines Fluidkreislaufs erzeugt werden, was die Wirksamkeit der Strömungskanalstrecken zwischen den einzelnen Zellen eines Zellstapels oder einer Serienschaltung von Sub-Stacks bzw. Stacks zur Shunt-Strom-Verringerung verbessert. Ebenso wird dadurch die Gleichverteilung der Volumenströme durch die einzelnen Zellen begünstigt. Die beschriebenen Ausführungen gelten für jeden der vier Fluidkreisläufe der Elektrolytlösungen (Negolyt, Posolyt - jeweils Vor- und Rücklauf). Zur Schaffung von Strömungskanallänge im Bauteil können die Kanäle mäanderförmig angeordnet oder, um Umlenkungsverluste in engen Leitungsbögen zu reduzieren, spiralförmig ausgeführt werden.The fluid distributors can combine individual flow channels within their respective structure or via their hydraulic interfaces and assign them to a higher-level flow channel with a larger cross section. This allows the flow channel structure of a fluid circuit to be cascaded, which improves the effectiveness of the flow channel sections between the individual cells of a cell stack or a series connection of sub-stacks or stacks for reducing the shunt current. This also promotes the equal distribution of the volume flows through the individual cells. The explanations described apply to each of the four fluid circuits of the electrolyte solutions (Negolyt, Posolyt - each flow and return). In order to create longer flow channels in the component, the channels can be arranged in a meandering pattern or, in order to reduce deflection losses in tight bends, they can be designed in a spiral shape.

Ausführungsbeispiele für FluidverteilerExemplary embodiments for fluid distributors

Der erfindungsgemäße Fluidverteiler wird vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff mit hoher chemischer Beständigkeit, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid, hergestellt. Um die erforderlichen Strömungskanäle zu schaffen, kommt vorzugsweise eines der Herstellverfahren Thermoformen, Blasformen oder Rotationsguss zum Einsatz. Aber auch eine Herstellung im Spritzgussverfahren mit anschließender Aufbringung eines Deckels zum Abschluss der Kanäle, beispielsweise durch einen Schweiß- oder Klebeprozess, ist möglich. Ein Fluidsystem kann aus mehreren Fluidverteilern aufgebaut sein, die jeweils über geeignete hydraulische Schnittstellen zum Schweißen, Kleben oder auf höheren Stufen zum Verschrauben mit Dichtung verfügen. Vorzugsweise wird ein Fluidverteiler als ein Bauteil ausgeführt. Er kann aber auch aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt bzw. automatisiert vormontiert werden. Ein derartig zusammengesetzter Fluidverteiler besteht beispielsweise aus spritzgegossenen Adapterstücken mit den jeweiligen Schnittstellen oder Umlenkungen sowie aus einem extrudierten Strömungskanalprofil zur Bildung des überwiegenden Anteils der Strömungskanallängen.The fluid distributor according to the invention is preferably made from a thermoplastic with high chemical resistance, such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride or polyvinylidene fluoride. In order to create the required flow channels, one of the manufacturing processes of thermoforming, blow molding or rotational molding is preferably used. However, production using the injection molding process with subsequent application of a cover to close off the channels, for example by means of a welding or gluing process, is also possible. A fluid system can be made up of multiple fluid manifolds, each with suitable hydraulic interfaces for welding, gluing or, at higher levels, bolting with gaskets. A fluid distributor is preferably designed as one component. However, it can also be composed of several individual parts or pre-assembled in an automated manner. A fluid distributor assembled in this way consists, for example, of injection-molded adapter pieces with the respective interfaces or deflections and of an extruded flow channel profile for forming the majority of the flow channel lengths.

Beschreibung Schnittstelle zum StackDescription Interface to the stack

Der zur Erhöhung der Leistungsdichte von Flussbatterie-Stacks vorherrschende Trend zur Reduktion der Höhe der Reaktionskavitäten führt zu einer herausfordernd eingeschränkten Platzsituation zum hydraulischen Anschluss direkt aus der Zelle bzw. dem Flussrahmen senkrecht zur Stapelrichtung kommenden Strömungsöffnungen. Hierbei wäre zum Beispiel bei einer Halbzellenhöhe von 2 mm und einer Höhe der Strömungsöffnung von 1,5 mm lediglich eine Gesamtstegbreite zur benachbarten Strömungsöffnung von 1 mm zur Anbringung einer fluiddichten Trennwand vorhanden. Dies ist technisch kaum umsetzbar. Zudem kommt es in Stapelrichtung des Zellstapels durch die Summe der Toleranzen der Einzellagen zu entsprechenden Positionsverschiebungen der Strömungsöffnungen. Ein seitliches Versetzen der Strömungsöffnungen senkrecht zur Stapelrichtung in zwei oder mehrere Reihen schafft mehr Platz, führt jedoch in der nachgelagerten Ausführung des Fluidsystems mit seinen Kanälen zu Platzrestriktionen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass zwei oder mehrere Strömungsöffnungen einer Art (z.B. Negolyt-Vorlauf) in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet werden und Blöcke dieser zusammengefassten Strömungsöffnungen wiederum zueinander versetzt in mehreren Reihen in Stapelrichtung angeordnet werden.The prevailing trend towards reducing the height of the reaction cavities to increase the power density of flow battery stacks leads to a challenging limited space situation for the hydraulic connection to the flow openings coming directly from the cell or the flow frame perpendicular to the direction of the stack. In this case, for example, with a half-cell height of 2 mm and a height of the flow opening of 1.5 mm, there would only be a total web width to the adjacent flow opening of 1 mm for attaching a fluid-tight partition. Technically, this is hardly feasible. In addition, the sum of the tolerances of the individual layers results in corresponding shifts in the position of the flow openings in the stacking direction of the cell stack. A lateral displacement of the flow openings perpendicular to the stacking direction in two or more rows creates more space, but leads to space restrictions in the downstream design of the fluid system with its channels. According to the invention, this problem is solved in that two or more flow openings of one type (e.g. Negolyt flow) are arranged side by side in a row and blocks of these combined flow openings are in turn arranged offset to one another in several rows in the stacking direction.

Weiterhin sind im erfindungsgemäßen Fluidverteiler als hydraulische Schnittstellen zum Zellstapel hinreichend große Anschlussprofile am abgehendem Strömungskanal vorgesehen, welche die vorgenannten Blöcke von Strömungsöffnungen vorzugsweise überdecken und so hydraulisch kontaktieren. Die Anschlussprofile können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung flanschartig und/oder als - bspw. zylindrische - Hohlprofile, sickenartig oder als Durchgangsprofile mit wenigstens einem umlaufenden Kragen zur Anordnung am Zellstapel ausgebildet sein. Bei der Dimensionierung der Anschlussprofile werden vorteilhafterweise auch zu erwartende Toleranzen in Stapelrichtung durch entsprechendes Übermaß berücksichtigt. Damit kann der Fluidverteiler als starres Bauteil ausgeführt werden. Überstände der Anschlussprofile im Randbereich des Zellstapels werden durch zusätzliche Stapelelemente berücksichtigt. Voraussetzung zur Anbringung der Anschlussprofile an den Zellstapel ist eine geeignete Abdichtung zwischen den Trennebenen der einzelnen Flussrahmen bzw. Schichten im Zellstapel, vorzugsweise die Aufbringung der Fluidanschlüsse auf eine monolithische Außenwand des Zellstapels. Dies wird vorzugsweise durch Schweißen oder Kleben, also durch eine Stoffschlüssige Verbindung erreicht.Furthermore, in the fluid distributor according to the invention, sufficiently large connection profiles are provided on the outgoing flow channel as hydraulic interfaces to the cell stack, which preferably cover the aforementioned blocks of flow openings and thus make hydraulic contact In a preferred embodiment of the invention, the connection profiles can be designed as flange-like and/or as—e.g. cylindrical—hollow profiles, bead-like or as passage profiles with at least one circumferential collar for arrangement on the cell stack. When dimensioning the connection profiles, tolerances to be expected in the stacking direction are advantageously also taken into account by means of appropriate oversize. The fluid distributor can thus be designed as a rigid component. Overhangs of the connection profiles in the edge area of the cell stack are taken into account by additional stacking elements. A prerequisite for attaching the connection profiles to the cell stack is a suitable seal between the parting planes of the individual flow frames or layers in the cell stack, preferably the application of the fluid connections to a monolithic outer wall of the cell stack. This is preferably achieved by welding or gluing, ie by a material connection.

Durch das blockweise Zusammenfassen weniger Zellen wird das Problem der Platzrestriktion bei dünnen Zellen überwunden und die Wirksamkeit des Fluidsystems durch eine günstigere Strömungskanaldimensionierung im externen Fluidsystem und insbesondere durch eine Kaskadierung der Kanäle erheblich verbessert. Die Kaskadierung kann erfindungsgemäß so gestaltet werden, dass die Zellenzahl durch Faktorzerlegung möglichst viele Teilungen bzw. Abschnitte der Kaskadierung des Fluidsystems ergibt. Demgegenüber kann der Stand der Technik entweder kein derartiges Fluidsystem für dünne Zellen realisieren oder es müssen eine Vielzahl von Zellen hydraulisch zusammengefasst werden, was die Kaskadierung einschränkt und die Shunt-Ströme nur im reduzierten Maß verringert.By combining fewer cells in blocks, the problem of space restrictions with thin cells is overcome and the effectiveness of the fluid system is significantly improved by a more favorable flow channel dimensioning in the external fluid system and in particular by cascading the channels. According to the invention, the cascading can be designed in such a way that the number of cells results in as many divisions or sections of the cascading of the fluid system as possible by factor analysis. In contrast, the prior art either cannot implement such a fluid system for thin cells or a large number of cells have to be combined hydraulically, which restricts the cascading and reduces the shunt currents only to a reduced extent.

Beschreibung der Schnittstelle zum übergeordneten FluidsystemDescription of the interface to the higher-level fluid system

Das gesamte Fluidsystem kann aus mehreren Fluidverteilern aufgebaut werden. Die Schnittstelle bzw. Schnittstellen eines Fluidverteilers zu einem übergeordnetem Fluidverteiler bzw. dem Rohrleitungssystem des Fluidkreislaufs einer Elektrolytlösung wird beispielsweise durch Muffenschweißen, Stumpfschweißen oder Kleben stoffschlüssig umgesetzt. Bei der Verbindung zweier Fluidverteiler kann die Struktur zum Toleranzausgleich wie z.B. ein Anschlussprofil wahlweise in einem der beiden Teile ausgeführt werden. Die Anzahl der Schnittstellen reduziert sich sukzessive vom Anschluss der einzelnen Strömungsöffnungen bis hin zum Anschluss an das Rohrleitungssystem.The entire fluid system can be built up from several fluid distributors. The interface or interfaces of a fluid distributor to a superordinate fluid distributor or the pipeline system of the fluid circuit of an electrolyte solution is implemented in a materially bonded manner, for example by socket welding, butt welding or gluing. When connecting two fluid distributors, the structure for tolerance compensation, such as a connection profile, can be designed in one of the two parts. The number of interfaces is gradually reduced from the connection of the individual flow openings to the connection to the pipe system.

Beschreibung des übergeordneten FluidsystemsDescription of the superior fluid system

Ein Fluidverteiler kann Fluidkreisläufe einer oder mehrerer Arten enthalten. Ein übergeordneter Fluidverteiler kann eine Vielzahl von Fluidverteilern eines Sub-Stacks oder mehrerer Stacks miteinander verbinden und so ein kompakte und zum Rohrleitungssystem hin schnittstellenarme Realisierung des Fluidsystems ermöglichen. Eine Hauptverteilleitung kann ebenfalls in dieses Bauteil integriert werden. Die so mit einem zusammenhängenden Fluidsystem versorgte Anzahl an Zellen, Sub-Stacks bzw. Stacks kann eine Wandlereinheit hoher elektrischer Leistung von mehr als 10 kW bis hin zu mehr als 100 kW ergeben. Die Fluidverteiler können horizontal oder vertikal angeordnet werden. Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich somit ein wirkungsvolleres, effizienteres, platzsparendes und montagefreundlicheres Fluidsystem.A fluid manifold may contain fluid circuits of one or more types. A superordinate fluid distributor can connect a multiplicity of fluid distributors of a sub-stack or of several stacks to one another and thus enable a compact implementation of the fluid system with few interfaces to the pipeline system. A main distribution line can also be integrated into this component. The number of cells, sub-stacks or stacks supplied in this way with a connected fluid system can result in a converter unit with high electrical power of more than 10 kW up to more than 100 kW. The fluid distributors can be arranged horizontally or vertically. Compared to the prior art, a more effective, more efficient, space-saving and easier to assemble fluid system is thus obtained.

Beschreibung Einsatz als WärmetauscherDescription Use as a heat exchanger

Durch den von 100 Prozent abweichenden Wirkungsgrad einer Flussbatterie kommt es zwangsläufig zur Erwärmung der Elektrolytlösungen. Einige Elektrolytsysteme sind in ihrer maximalen Einsatztemperatur begrenzt, wie z.B. das Vanadium-Vanadium-System bei etwa 40°C. Um die Flussbatterie unabhängig von Umgebungstemperatur und Einsatzdauer betreiben zu können, werden ins Fluidsystem Wärmetauscher integriert. Das Fluidsystem kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Fluidverteiler als Wärmetauscher ausgeführt werden. Dabei wird die ohnehin erforderliche Strömungskanallänge zur Shunt-Strom-Verringerung und die durch das Bauteil gegebene Oberfläche als thermische Austauschfläche genutzt, beispielsweise durch passive Abstrahlung oder durch erzwungene Konvektion. Weiterhin können zusätzliche Kanäle zur Führung einer Kühlflüssigkeit in das Bauteil integriert werden. Um eine Funktion als Wärmetauscher zu verstärken, ist eine Kombination des Kunststoff-Fluidverteilers mit metallischer Beschichtung oder Metallteilen wie Blechen oder Wärmetauscherprofilen möglich. Hierdurch kann auf einen separaten Wärmetauscher verzichtet werden.Due to the fact that the efficiency of a flow battery deviates from 100 percent, the electrolyte solutions inevitably heat up. Some electrolyte systems are limited in their maximum operating temperature, such as the vanadium-vanadium system at around 40°C. In order to be able to operate the flow battery independently of the ambient temperature and duration of use, heat exchangers are integrated into the fluid system. The fluid system can be designed as a heat exchanger with the aid of the fluid distributor according to the invention. The length of the flow channel, which is required in any case, is used to reduce the shunt current and the surface provided by the component is used as a thermal exchange surface, for example through passive radiation or forced convection. Furthermore, additional channels for guiding a coolant can be integrated into the component. In order to strengthen a function as a heat exchanger, a combination of the plastic fluid distributor with a metallic coating or metal parts such as metal sheets or heat exchanger profiles is possible. As a result, a separate heat exchanger can be dispensed with.

Das erfindungsgemäße Fluidsystem ist außerhalb des Pressbereichs des Zellstapels angebracht und kann aus mehreren Fluidverteilern aufgebaut sein, welche einem oder mehreren Zellstapeln bzw. Sub-Stacks zugeordnet sind. Je nach Zellenzahl bzw. Anzahl elektrisch in Serie verschalteter Sub-Stacks oder Stacks kann das Fluidsystem aus mehreren dem Sub-Stack, dem Stack oder der gesamten Stack-Baugruppe zugeordneten fluidführenden Bauteilen besteht. Diese können in nicht unmittelbar mit dem Zellstapel verbundenen Ebenen auch über oder neben dem Stack angebracht werden, beispielsweise an einer Regalstruktur einer grö-ßeren Wandlereinheit, und müssen nicht notwendigerweise außer über die Fluidverbindungen mit einem Stack mechanisch verbunden sein.The fluid system according to the invention is attached outside of the compression area of the cell stack and can be made up of a number of fluid distributors which are assigned to one or more cell stacks or sub-stacks. Depending on the number of cells or the number of sub-stacks or stacks electrically connected in series, the fluid system can consist of several fluid-carrying components assigned to the sub-stack, the stack or the entire stack assembly. These can also be attached above or next to the stack on levels that are not directly connected to the cell stack, for example on a shelf structure larger converter unit, and need not necessarily be mechanically connected to a stack other than via the fluid connections.

Der Anschluss des Fluidverteilers an den Zellstapel erfolgt über Anschlussprofile, welche als Schweißverbindung, als Klebeverbindung oder mit einer Dichtungskomponente ausgeführt sind. Die Dichtungskomponente kann beispielsweise ein angeformtes, thermoplastisches Elastomer, ein O-Ring bzw. Dichtungsprofil oder eine Flachdichtung sein. Die Schnittstellen der einzelnen Ebenen des Fluidsystems bzw. der einzelnen Fluidverteiler können direkt über die ursprüngliche Bauteilform gebildet werden oder mit zusätzlichen Verbindungselementen wie schlauch- oder rohrartige oder anders geformte Zwischenstücke realisiert werden. Das erfindungsgemäße Fluidsystem kann über die Anwendung in einer Redox-Flow-Batterie hinaus allgemein auch in anderen elektrochemischen Reaktoren zum Einsatz kommt.The fluid distributor is connected to the cell stack via connection profiles, which are designed as a welded connection, as an adhesive connection or with a sealing component. The sealing component can be, for example, a molded, thermoplastic elastomer, an O-ring or sealing profile, or a flat gasket. The interfaces of the individual levels of the fluid system or the individual fluid distributors can be formed directly via the original component shape or can be realized with additional connecting elements such as hose-like or pipe-like or other shaped intermediate pieces. In addition to being used in a redox flow battery, the fluid system according to the invention can generally also be used in other electrochemical reactors.

Figurenlistecharacter list

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Fluidsystems ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further goals, features, advantages and possible applications of the fluid system according to the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings. All of the features described and/or illustrated form the subject matter of the invention, either alone or in any combination, regardless of the summary in individual claims or their back-reference.

In den Zeichnungen zeigen

1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Fluidverteilers mit Vergrößerung des Anschlussbereichs am Zellstapel;
2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Fluidverteilers mit Anschlussprofil zum Zellstapel und kaskadiertem Strömungskanalsystem;
3 eine Darstellung verschiedener Ausführungsformen der ersten Stufe des Fluidsystems;
4 eine Darstellung von Ansichten einer weiteren Stufe des Fluidsystems;
5 eine Darstellung einer Variante der Fluidverteiler der zweiten Stufe.

Show in the drawings

1 a representation of the fluid distributor according to the invention with an enlargement of the connection area on the cell stack;
2 a representation of the fluid distributor according to the invention with connection profile to the cell stack and cascaded flow channel system;
3 a representation of various embodiments of the first stage of the fluid system;
4 a representation of views of a further stage of the fluid system;
5 Figure 12 shows a variant of the second stage fluid manifolds.

Ausführung der Erfindungimplementation of the invention

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fluidsystem einer Redox-Flow-Batterie, welche mindestens einen Zellstapel 1 aus einer Serienschaltung mehrere Zellen umfasst, wobei die Zellen mit elektrisch leitfähigen Elektrolytlösungen versorgt werden, wobei an dem mindestens einem Zellstapel mehrere Strömungsöffnungen 101 zur form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindung des Zellstapels 1 mit den Strömungskanälen 202 eines exfernen Fluidkreislaufs 2 vorgesehen sind. Dabei ist an den Strömungskanälen 202 erfindungsgemäß jedenfalls ein Anschlussprofil 201 mit einem umlaufenden Kragen 2001 vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, Elektrolytlösung aus mindestens zwei der an dem Zellstapel 1 ausgebildeten Strömungsöffnungen 101 in einen Strömungskanal 202 zu leiten. Die Strömungsöffnungen 101 in der vorzugsweise monolithischen Außenwand des Zellstapels 1 sind zu Blöcken bzw. Gruppen von fünf Zellen zusammengefasst und in Bezug zum Nachbarblock auf zwei Linien zueinander versetzt angeordnet, damit für die Anbringung des Anschlussprofils 201 ausreichend Platz vorhanden ist. Hierbei können jedoch auch andere Blockgrö-ßen von beispielsweise zwei Strömungsöffnungen oder mehr auf zwei oder mehreren zueinander versetzt liegenden Linien in Stapelrichtung vorgesehen werden. Das Anschlussprofil 201 ist insbesondere in Stapelrichtung breiter ausgeführt, als es für einen Block von Strömungsöffnungen 101 erforderlich ist, um in Stapelrichtung auftretende Toleranzen mit dem starren Bauteil des Fluidverteilers 2 aufnehmen und jede Strömungsöffnung 101 zuverlässig hydraulisch verbinden bzw. anschließen zu können. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in dieser und anderen Abbildungen der Zellstapel ohne Stapelabschluss mit Endplatten und Befestigungsbolzen gezeigt. 1 shows a fluid system according to the invention of a redox flow battery, which comprises at least one cell stack 1 from a series connection of several cells, the cells being supplied with electrically conductive electrolyte solutions, with at least one cell stack having several flow openings 101 for mold, material and/or or non-positive connection of the cell stack 1 with the flow channels 202 of an external fluid circuit 2 are provided. According to the invention, a connection profile 201 with a circumferential collar 2001 is provided on the flow channels 202, which is designed to conduct electrolyte solution from at least two of the flow openings 101 formed on the cell stack 1 into a flow channel 202. The flow openings 101 in the preferably monolithic outer wall of the cell stack 1 are combined into blocks or groups of five cells and arranged offset in relation to the neighboring block on two lines so that there is sufficient space for attaching the connection profile 201 . In this case, however, other block sizes can also be provided, for example two flow openings or more on two or more lines offset from one another in the stacking direction. The connection profile 201 is made wider, particularly in the stacking direction, than is required for a block of flow openings 101 in order to accommodate tolerances that occur in the stacking direction with the rigid component of the fluid distributor 2 and to be able to reliably connect or connect each flow opening 101 hydraulically. To simplify the illustration, the cell stack is shown in this and other figures without a stack termination with end plates and fastening bolts.

2 zeigt einen Fluidverteiler 2 des erfindungsgemäßen Fluidsystems von der dem Zellstapel zugewandten Seite. Der Anschluss an die Außenwand des Zellstapels erfolgt über das Anschlussprofil 201 beispielsweise als Schweißverbindung über Heizelementspiegelschweißen oder durch Vibrationsschweißen. Das Profil 2001 kann aber auch an den Zellstapel 1 über eine Klebeverbindung fluiddicht angebracht werden. Mehrere Strömungsöffnungen 101 werden hier zu einem Strömungskanal 202 zusammengefasst, welcher als übergeordneter Strömungskanal einen größeren Querschnitt als die Sekundärkanalabschnitte innerhalb des Flussrahmens aufweist. Dieser Strömungskanal 202 wird wiederum mit anderen Kanälen 202 über eine Sammelleitung 203 mit deutlich geringerem hydraulischem Widerstand als der der Strömungskanäle 202 verbunden und in einen übergeordnetem Strömungskanal 204 zusammengeführt. Dieser Strömungskanal 204 wird wiederum am Verbindungselement bzw. der hydraulischen Schnittstelle 205 zu einem übergeordneten Fluidsystem bzw. Rohrleitungssystem mit einem weiteren Strömungskanal 204 zusammengeführt. So ist im vorliegenden Beispiel eine Kaskade mit drei Abschnitten entstanden: von fünf Zellen bzw. Strömungsöffnungen über ein Anschlussprofil bzw. Verteilkavität zu einem Strömungskanal 202; von fünf Kanälen 202 über eine Sammelleitung bzw. Verteilkavität zu einem Strömungskanal 204; von zwei Kanälen 204 über eine hydraulische Schnittstelle bzw. Verteilkavität zu einem verbliebenen Anschluss. Dieser Anschluss ist im vorliegenden Beispiel einer von vier Arten von Anschlüssen für Negolyt und Posolyt jeweils mit ihrem Vor- und Rücklauf. Der Querschnitt der Strömungskanäle nimmt üblicherweise von Stufe zu Stufe der Kaskade Richtung Rohrleitungssystem zu. Die Kaskadierung kann innerhalb eines Bauteils eines Fluidverteilers oder aber auch verteilt auf mehrere Fluidverteiler realisiert werden. 2 shows a fluid distributor 2 of the fluid system according to the invention from the side facing the cell stack. The connection to the outer wall of the cell stack is made via the connection profile 201, for example as a welded connection using hot plate welding or vibration welding. However, the profile 2001 can also be attached to the cell stack 1 in a fluid-tight manner via an adhesive connection. A plurality of flow openings 101 are combined here to form a flow channel 202 which, as the superordinate flow channel, has a larger cross section than the secondary channel sections within the flow frame. This flow channel 202 is in turn connected to other channels 202 via a collecting line 203 with a significantly lower hydraulic resistance than that of the flow channels 202 and combined in a superordinate flow channel 204 . This flow channel 204 is in turn combined with a further flow channel 204 at the connecting element or the hydraulic interface 205 to form a superordinate fluid system or pipeline system. In the present example, a cascade with three sections was created: from five cells or flow openings via a connection profile or distribution cavity to a flow channel 202; from five channels 202 via a collecting line or distribution cavity to a flow channel 204; of two Channels 204 via a hydraulic interface or distribution cavity to a remaining connection. In the present example, this connection is one of four types of connections for Negolyt and Posolyt, each with their forward and reverse flow. The cross-section of the flow channels usually increases from stage to stage of the cascade in the direction of the piping system. The cascading can be realized within a component of a fluid distributor or distributed over several fluid distributors.

3 zeigt die Draufsicht in Stapelrichtung auf den Zellstapel mit Aktivbereich der letzten Zelle 1001 in vier Varianten des Fluidverteilers 2. Die Fluidverteiler weisen hydraulische Anschlussprofile 201 zu einem darunterliegenden Zellstapel oder untergeordnetem Fluidverteiler sowie hydraulische Schnittstellen 205 zu einem übergeordnetem Fluidverteiler oder Rohrleitungssystem auf. Die Ausführung eines Fluidverteilers kann beispielsweise in der Variante 2 als Strömungskanalstruktur mit 90° Bogen oder als Variante 2' ohne 90° Bogen und wie zuvor einem Quadranten des Zellstapels zugeordnet ausgeführt werden. Weiterhin kann ein Fluidverteiler beispielsweise die Rückläufe von Negolyt und Posolyt in einem Bauteil aufnehmen wie in Variante 2'' gezeigt mit außenliegenden hydraulischen Schnittstellen 201 und 205 oder aber mit teilweise innenliegenden hydraulischen Schnittstellen 201 wie in Variante 2''' gezeigt. Neben den hydraulischen Schnittstellen und den Kanälen können noch weitere strukturelle Elemente aus der Ebene des Fluidverteilers hervorstehen, um Aufgaben der Befestigung, Stabilität oder Handhabbarkeit zu erfüllen. 3 shows the top view in the stacking direction of the cell stack with the active area of the last cell 1001 in four variants of the fluid distributor 2. The fluid distributors have hydraulic connection profiles 201 to an underlying cell stack or subordinate fluid distributor and hydraulic interfaces 205 to a higher-level fluid distributor or pipeline system. A fluid distributor can be designed, for example, in variant 2 as a flow channel structure with a 90° bend or as variant 2′ without a 90° bend and assigned to a quadrant of the cell stack as before. Furthermore, a fluid distributor can, for example, accommodate the returns of Negolyt and Posolyt in one component as shown in variant 2'' with external hydraulic interfaces 201 and 205 or with partly internal hydraulic interfaces 201 as shown in variant 2'''. In addition to the hydraulic interfaces and the channels, other structural elements can also protrude from the plane of the fluid manifold in order to fulfill tasks of attachment, stability or handling.

4 zeigt die Draufsicht in Stapelrichtung auf den Zellstapel sowie die Seitenansicht dreier Zellstapel 1, welche als Sub-Stacks zu einem zusammenhängenden Stack zusammengefasst sind. Diese drei Sub-Stacks teilen sich beispielsweise die nicht dargestellten Endplatten und Befestigungsbolzen. Insbesondere ist hier eine weitere Ebene des Fluidsystems in Form eines Fluidverteilers 3 gezeigt. Dieser Fluidverteiler 3 ist dem Fluidverteiler 2 übergeordnet und über die Schnittstelle 205, in unterschiedlichen Varianten bzw. Positionen 205' oder 205", mit diesem verbunden. Die Verbindung kann idealerweise als Schweißverbindung z.B. durch Muffenschweißen oder Stumpfschweißen, aber auch als Klebeverbindung oder in Form einer mechanischen Schraub- oder Steck-Verbindung mit Dichtung ausgeführt werden. Das gleiche gilt für die Schnittstelle des Fluidverteilers 3 mit einem übergeordnetem Fluidsystem oder dem Rohrleitungssystem der Elektrolytkreisläufe. Wie in 4 angedeutete, ist in den Fluidverteiler 3 bereits ein Rohrleitungsabschnitt 301 mit hydraulischer Schnittstelle integriert. Der Rohrleitungsabschnitt 301 bzw. Hauptverteiler kann in Stapelrichtung über den Stack hinausgehen und bei entsprechend gewählter Dimensionierung direkt mit einem dahinterliegendem Stack verbunden werden. Dies würde den Verrohrungsaufwand in einem Flussbatteriesystem mit mehreren Stacks reduzieren. Dafür kann beispielsweise eine geeignete Muffen- oder Steck-Verbindung an den Hauptverteiler angeformt werden. In der Seitenansicht von 4 ist weiterhin eine Ausführung des übergeordneten Fluidverteilers 3 gezeigt, in welchem die drei Fluidverteiler 2 einer Art bzw. jeweils sechs davon auf Ober- und Unterseite der Zellstapel 1 zusammengefasst werden. Hierdurch wird Strömungskanalstrecke und Kaskadierung geschaffen, ohne dabei die Anzahl der später zu montierenden hydraulischen Schnittstellen zu erhöhen. Beispielsweise kann ein Zellstapel bzw. Sub-Stack 1 aus 50 Zellen bestehen, welche im Verbund mit den anderen beiden Sub-Stacks einen Stack mit 150 Zellen ergeben. 4 shows the top view of the cell stack in the stacking direction and the side view of three cell stacks 1, which are combined as sub-stacks to form a coherent stack. These three sub-stacks share, for example, the end plates and fastening bolts, which are not shown. In particular, a further level of the fluid system in the form of a fluid distributor 3 is shown here. This fluid distributor 3 is superordinate to the fluid distributor 2 and connected to it via the interface 205, in different variants or positions 205' or 205". The connection can ideally be made as a welded connection, for example by socket welding or butt welding, but also as an adhesive connection or in the form of a mechanical screw or plug-in connection with a seal can be carried out. The same applies to the interface of the fluid distributor 3 with a higher-level fluid system or the pipeline system of the electrolyte circuits. As in 4 indicated, a pipeline section 301 with a hydraulic interface is already integrated into the fluid distributor 3 . The pipeline section 301 or main distributor can go beyond the stack in the direction of the stack and can be connected directly to a stack located behind it if the dimensioning is selected accordingly. This would reduce the piping overhead in a multi-stack flow battery system. For example, a suitable socket or plug connection can be molded onto the main distributor. In the side view of 4 an embodiment of the superordinate fluid distributor 3 is also shown, in which the three fluid distributors 2 of one type or six of them on the top and bottom of the cell stack 1 are combined. This creates a flow channel section and cascading without increasing the number of hydraulic interfaces to be installed later. For example, a cell stack or sub-stack 1 can consist of 50 cells, which when combined with the other two sub-stacks result in a stack with 150 cells.

5 zeigt die Draufsicht auf den Fluidverteiler 3. An seinen Seiten ist jeweils eine Hauptverteilleitung 301 integriert. Genauso kann aber eine weitere hydraulische Schnittstelle zu einem nochmals übergeordnetem Fluidsystem oder eine punktuelle Verbindung zu einem Rohrleitungssystem ausgebildet werden. 5 zeigt für die Strömungskanäle zwei Varianten: in Variante 302' ist der Strömungskanal mäanderförmig ausgeführt, in Variante 302" spiralförmig, was bei letzterem eine günstigere Strömungsführung mit geringeren Strömungsverlusten bewirken kann. Prinzipiell kann eine beliebige Anzahl an Fluidverteilern zu einem Fluidsystem kombiniert werden. Einer oder mehrere Fluidverteiler können zusätzlich zu ihrer Aufgabe der Shunt-Strom-Verringerung auch noch als Wärmetauscher wirken. 5 shows the plan view of the fluid distributor 3. A main distribution line 301 is integrated on each of its sides. In the same way, however, a further hydraulic interface to a higher-level fluid system or a point-to-point connection to a pipeline system can be formed. 5 shows two variants for the flow channels: in variant 302' the flow channel is designed in a meandering manner, in variant 302" it is spiral-shaped, which in the latter can result in more favorable flow guidance with lower flow losses. In principle, any number of fluid distributors can be combined to form a fluid system. One or multiple fluid manifolds can also act as heat exchangers in addition to their role of reducing shunt flow.

6 zeigt eine alternative Gestaltung eines Fluidverteilers als Kombination eines Extrusionsprofils 401 mit zwei stirnseitig dazu angebrachten Adapterstücken 402 und 402'. Diese Adapterstücke 402 und 402' können beispielsweise als Spritzgussteil ausgeführt werden und haben die Funktion, eine hydraulische Schnittstelle zu bilden, wie Elemente 201, 205, 303 sowie 301, und optional eine Umlenkung für die Elektrolytströmung zum Mehrfachdurchlauf der durch das Extrusionsprofil gebildeten Kanäle bereitzustellen. Um im Spritzgussteil eine Kavität zu bilden, kann beispielsweise ein entsprechender Deckel aufgeschweißt werden. Anstatt eines Spritzgussteiles kann auch ein Thermoformteil, Blasformteil oder Rotationsgussteil verwendet werden. Im Extrusionsprofil 401, welches beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen gefertigt ist, können Strömungskanalquerschnitte mit geringer Rauheit und ungestört kreisförmigem Querschnitt realisiert werden; weiterhin kann die äußere Oberfläche des Extrusionsprofils durch beispielsweise gerippte Ausführung erhöht und damit die Wärmeabgabe an die Umgebung begünstigt werden. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Variante des Fluidverteilers mit Extrusionsprofil wäre die Integration eines zusätzlichen Kühlkreislaufs 503, angeschlossen an den Adapterstücken 402 und/oder 402', um das ohnehin erforderliche Fluidsystem des Stacks, hier in einer Ebene 501 und einer weiteren Ebene 502 gezeigt, zusätzlich noch als aktiven Wärmetauscher zu nutzen. 6 shows an alternative design of a fluid distributor as a combination of an extruded profile 401 with two adapter pieces 402 and 402′ attached to the front side. These adapter pieces 402 and 402' can be designed, for example, as an injection molded part and have the function of forming a hydraulic interface, like elements 201, 205, 303 and 301, and optionally providing a deflection for the electrolyte flow for multiple passage through the channels formed by the extrusion profile. In order to form a cavity in the injection molded part, a corresponding cover can be welded on, for example. Instead of an injection molded part, a thermoformed part, blow molded part or rotational molded part can also be used. In the extrusion profile 401, which is made of polyethylene or polypropylene, for example, flow channel cross sections with little roughness and an undisturbed circular cross section can be realized; Furthermore, the outer surface of the extruded profile can be increased, for example, by a ribbed design, and thus the heat dissipation to the environment can be promoted. Another execution An alternative option for the variant of the fluid distributor with an extrusion profile would be the integration of an additional cooling circuit 503, connected to the adapter pieces 402 and/or 402', around the fluid system of the stack that is required anyway, shown here in one level 501 and another level 502, additionally as active to use heat exchangers.

BezugszeichenlisteReference List

11: Zellstapelcell stack
101101: Strömungsöffnung einer Zelleflow opening of a cell
10011001: Markierung des Aktivbereichs der ZellenMarking of the active area of the cells
22: Fluidverteiler (erste Stufe)Fluid manifold (first stage)
2'2': Fluidverteiler (Variante)Fluid distributor (variant)
2"2": Fluidverteiler (Variante)Fluid distributor (variant)
2'''2''': Fluidverteiler (Variante)Fluid distributor (variant)
201201: Anschlussprofil (hydraulische Schnittstelle)Connection profile (hydraulic interface)
202202: Strömungskanalflow channel
203203: Sammelleitungmanifold
204204: Strömungskanal (übergeordnet)flow channel (parent)
205205: hydraulische Schnittstellehydraulic interface
205'205': Variante / Position A der hydraulischen SchnittstelleVariant / position A of the hydraulic interface
205"205": Variante / Position B der hydraulischen SchnittstelleVariant / position B of the hydraulic interface
20012001: Kontaktbereich des AnschlussprofilsContact area of the connection profile
33: Fluidverteiler (zweite Stufe)Fluid distributor (second stage)
301301: Hauptverteilkanalmain distribution channel
302'302': Variante A des Strömungskanals (mäanderförmig)Variant A of the flow channel (meandering)
302"302": Variante B des Strömungskanals (spiralförmig)Variant B of the flow channel (spiral)
401401: Extrusionsprofil mit FluidkanälenExtrusion profile with fluid channels
402402: Adapterstückadapter piece
402'402': Adapterstück (Variante)Adapter piece (variant)
501501: Fluidkanalfluid channel
502502: Fluidkanal (übergeordnet)Fluid Channel (Parent)
503503: Kanal für KühlkreislaufChannel for cooling circuit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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WO 0225756 A1 [0004, 0007]
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Claims

Fluid system of a redox flow battery, which comprises at least one cell stack (1) from a series connection of several cells, wherein the cells are supplied with electrically conductive electrolyte solutions, wherein at least one cell stack (1) has a plurality of flow openings (101) for shaping, material and/or non-positive connection of the cell stack (1) to the flow channels (202) of an external fluid circuit, characterized in that at least one connection profile (201) is provided on the flow channels (202), which is designed to release electrolyte solution directing at least two of the flow openings (101) formed on the cell stack (1) into a flow channel (202).

fluid system after claim 1 , characterized in that the flow channels (202) form at least one fluid distributor (2), which combines individual flow channels (202) within its structure or via hydraulic interfaces and/or assigns it to a higher-level flow channel of larger cross section.

fluid system after claim 1 or 2 , characterized in that two or more flow openings (101) are arranged in a row next to each other and blocks of these combined flow openings (101) are in turn arranged offset to one another in several rows in the stacking direction.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid distributors (2) individually or as a hierarchical combination of several fluid distributors (2) reduce the number of outwardly directed hydraulic interfaces for the entire stack assembly to four.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one connection profile (201) is constructed in the manner of a flange and/or as a cylindrical hollow profile and/or in the manner of a bead.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one connection profile (201) comprises at least one peripheral collar (2001) for arrangement on the cell stack.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion of the connecting profiles (201) in the stacking direction is sufficiently large to reliably enclose the blocks of flow openings (101) given the tolerances of the cell stack (1).

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid connections of a type in the fluid distributor (2) attached directly to the cell stack (1) are each assigned to a quadrant of the cell stack.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the cascading of the flow channels is designed in such a way that the number of cells results in as many divisions or sections of the cascading of the fluid system as possible by factor analysis.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that the interface(s) of a fluid distributor (2) to a higher-level fluid distributor or the pipeline system of the fluid circuit of an electrolyte solution is converted by socket welding, butt welding or gluing in a materially bonded manner.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid distributor (2) contains parts of a pipeline system in its structure and/or hydraulically connects several subordinate fluid distributors (2) to one another.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed as a heat exchanger with the aid of the fluid distributor (2).

fluid system after claim 9 , characterized in that the length of the flow channel for reducing the shunt current and/or the surface provided by the component is designed as a thermal exchange surface.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that a separate cooling circuit (503) is formed within the fluid distributor (2).

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one flow channel is designed in a meandering or spiral shape.

Fluid system according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid distributor (2) is designed as a combination of an extruded profile (401) with at least two adapter pieces (402 and 402') attached to the front side.