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BEZUG ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung
2016-0167688 , eingereicht am 9. Dezember 2016 beim Koreanischen Amt für Geistiges Eigentum, auf deren Offenbarung hier Bezug genommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Platten-Elektroden-Anordnung, die für eine Elementarzelle für eine Redox-Flussbatterie verwendet wird, und insbesondere eine bipolare Platten-Elektroden-Anordnung, bei der ein thermoplastisches Harz verwendet wird, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Eine Redox-Flussbatterie ist eines der Kernprodukte, die eng mit erneuerbarer Energie, der Verringerung der Treibhausgase, aufladbaren Batterien und intelligenten Netzen verbunden sind, denen auf der Welt in den letzten Jahren sehr viel Aufmerksamkeit entgegengebracht wurde. Eine Brennstoffbatterie ist ein Produkt, das als erneuerbare Energiequelle, die fossile Brennstoffe ersetzt, ohne Schadstoffe zu emittieren, immer mehr Anteil am Weltmarkt einnimmt. Gegenwärtig wird die meiste Energie aus fossilen Brennstoffen gewonnen, aber es besteht das Problem, dass die Nutzung solcher fossiler Brennstoffe schwere Umweltschäden wie Luftverschmutzung, sauren Regen und globale Erwärmung hervorruft und die Energieeffizienz gering ist.
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Um die Probleme zu lösen, die durch die Nutzung solcher fossiler Brennstoffe verursacht werden, ist in den letzten Jahren das Interesse an erneuerbaren Energien und Brennstoffzellen rasch angestiegen. Interessen und Forschung an solchen erneuerbaren Energien werden aktiv verfolgt, nicht nur im Inland, sondern weltweit.
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Obgleich der Markt für erneuerbare Energien sowohl im Inland als auch international gereift ist, besteht das Problem, dass die Menge an erzeugter Energie aufgrund von Umwelteinflüssen wie Zeit und Wetter je nach Art der erneuerbaren Energie sehr starken Änderungen unterworfen ist. Daher ist die Verbreitung eines Energiespeichersystems (ESS) zur Speicherung rückgewonnener Energie, die zur Stabilisierung der Erzeugung erneuerbarer Energie erzeugt wird, dringend erforderlich, und die Redox-Flussbatterie gewinnt Aufmerksamkeit als ein solches Energiespeichersystem mit hoher Kapazität.
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Eine Gesamtstruktur der Redox-Flussbatterie, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, besteht aus einem Stapel 1 mit gestapelten Zellen, in denen eine elektrochemische Reaktion abläuft, einem Behälter 3 zum Speichern eines Elektrolyten, und einer Pumpe 4 für die Zufuhr eines Elektrolyten von dem Elektrolytbehälter zu dem Stapel.
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2 zeigt eine vereinfachte Struktur des Stapels 1, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, und zeigt eine Endplatte 11, eine Isolationsplatte 12, eine Stromplatte 13, eine bipolare Platte 14, eine Dichtung 15, einen Flussrahmen 16, eine Elektrode 17, eine Dichtung 15, eine lonenaustauschmembran 18, eine Dichtung 15, eine Elektrode 17 einen Flussrahmen 16, eine Dichtung 15, eine bipolare Platte 14, eine Stromplatte 13, eine Isolationsplatte 12 und eine Endplatte 11 von der linken Seite. Eine Elementarzelle ist von der bipolaren Platte 14 zu der bipolaren Platte 14 ausgebildet, und insgesamt wird ein Stapel aufgebaut, indem zwischen mehreren zehn und mehreren hundert Elementarzellen gestapelt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist auf die Herstellung einer Anordnung zur Integration einer bipolaren Platte
14 und von Elektroden
17, die an beiden Seiten der bipolaren Platte
14 angeordnet sind, gerichtet, und hierzu existiert die
US 6656639 B1 .
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Während bei der
US 6656639 B1 die Anordnung hergestellt wird, indem eine Elektrode und eine Harzfolie (Material für eine bipolare Platte) in eine Schablone eingesetzt und thermisch komprimiert werden, wird die Harzfolie an einem Abschnitt, der nicht mit der Elektrode in Kontakt steht, erwärmt, und an der Grenze zwischen einem Abschnitt, der nicht mit der Elektrode in Kontakt steht, und einem Abschnitt, der mit der Elektrode in Kontakt steht, wird während eines Abkühlungsvorgangs eine Eigenspannung erzeugt, und das führt zu dem Problem, dass die bipolare Platte verformt wird oder ihre Stärke verringert wird, wenn sie von der Schablone getrennt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung, und insbesondere einer integrierten bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung, die Probleme lösen kann wie die Verformung der bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung oder die Verringerung der Stärke während des Abkühlens nach dem thermischen Komprimieren einer thermoplastischen Harzfolie als ein bipolares Plattenmaterial zwischen Elektroden.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Stärke durch Eindringen einer Fasermatte in einen Abschnitt, wo die Stärke der thermoplastischen Harzfolie während des thermischen Kompressionsvorgangs der Elektrode und der thermoplastischen Harzfolie verringert sein kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine bipolare Platten-Elektroden-Anordnung zur Verwendung in einem Redox-Flussbatteriestapel vorgesehen, bei dem eine bipolare Platte (140) aus einem thermoplastischen Harz hergestellt wird, Elektroden (170A, 170B), die an beiden Seiten der bipolaren Platte angeordnet sind, an einem zentralen Abschnitt der bipolaren Platte thermisch komprimiert werden, so dass sie in die bipolare Platte eindringen, die Größe der bipolaren Platte größer als die der Elektroden ist; und Fasermatten (150A, 150B) heißgepresst werden, so dass sie in die Peripherie (141) der bipolaren Platte eindringen, die eine größere Fläche als die Elektroden hat.
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Ein Teil der Fasermatten (150A; 150B) kann zwischen einer Peripherie der Elektrode und der bipolaren Platte angeordnet sein und heißgepresst werden, so dass er in die bipolare Platte (140) eindringt.
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Die eingedrungene Fasermatte (150A; 150B) kann eine Form haben, die eine innere Öffnung aufweist, und die äußere Größe der Fasermatte (150A, 150B) kann gleich der äußeren Größe der bipolaren Platte sein, und die Größe der inneren Öffnung kann kleiner als die äußere Größe der Elektroden (170A, 170B) sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung zur Verfügung gestellt, das umfasst: Anordnen einer Fasermatte (150A; 150B), die eine innere Öffnung aufweist, an jeder von beiden Seiten einer thermoplastischen Harzfolie als Material der bipolaren Platte (140); Anordnen eines Elektrodenmaterials an einem zentralen Abschnitt jeder der beiden Seiten der thermoplastischen Harzfolie; Anordnen von Schablonen (160A; 160B) jeweils an den Fasermatten (150A; 150B); und Heißpressen und Kühlen der Außenseite der Schablonen (160A; 160B) und des Elektrodenmaterials.
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Die Reihenfolge des Anordnens des Elektrodenmaterials und des Anordnens der Schablone kann untereinander austauschbar sein.
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Die Schablone (160A; 160B) kann eine Form haben, die eine innere Öffnung aufweist, die äußere Größe der Schablone (160A; 160B) kann gleich der äußeren Größe der Fasermatten (150A, 150B) sein, die Größe der inneren Öffnung kann gleich der äußeren Größe des Elektrodenmaterials sein, und die Dicke der Schablone kann geringer als die Dicke der Elektrode sein.
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Ein Strömungsweg (142) kann über die Elektroden (170A, 170B) ausgebildet sein.
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Eine Fasermatte dringt in eine thermoplastische Harzfolie eines bipolaren Plattenmaterials ein, das nicht in Kontakt mit der Elektrode in dem eingebetteten Bonding-Körper der bipolaren Elektrode steht, um Verwerfungen und Verformungen zu reduzieren und die Stärke zu erhöhen, wodurch ein qualitativ hochwertiger Bonding-Körper der bipolaren Elektrode hergestellt wird.
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Weiterhin ist die Fasermatte zur Innenseite des Rands der Elektrode verstärkt, wodurch ein Reißen an der Peripherie der Elektrode verhindert wird.
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Weiterhin ist der Stapelrahmen gebondet und fest angehaftet, wodurch eine Leistungsverschlechterung durch Elektrolytleckage an dem Stapelrahmen verhindert wird.
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Weiterhin gibt es eine stabile Wirkung gegen Korrosion oder Bruch beim Gebrauch über eine lange Zeit, da die Harzfolie sich nicht verschlechtert.
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Figurenliste
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Die oben genannten und andere Aspekte, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher ersichtlich, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu verstehen ist, in denen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Redox-Flussbatterie ist, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
- 2 eine perspektivische Explosionsansicht eines Redox-Flussbatteriestapels gemäß dem Stand der Technik ist;
- 3 ein Strukturelement zur Herstellung einer erfindungsgemäßen bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung zeigt;
- 4-6 ein Verfahren zum Herstellen einer bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung der vorliegenden Erfindung zeigen;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung ist;
- 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung zeigt;
- 9 ein Herstellungsverfahren der Ausführungsform von 8 zeigt; und
- 10 ein weiteres Herstellungsverfahren der Ausführungsform von 8 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Die beigefügten Zeichnungen stellen beispielartige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar und dienen der Erläuterung der vorliegenden Erfindung im Einzelnen. Der technische Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platten-Elektroden-Anordnung. Die Elektrode ist ein Ort, den der Elektrolyt passiert und wo eine elektrochemische Reaktion auftritt, und ein poröses leitfähiges Material wird verwendet, und Graphitfilz 170 ist bevorzugt. In einer Elementarzelle werden eine Anodenelektrode 170A und eine Kathodenelektrode 170B nacheinander eingeführt. (Es kann jedoch ein Strömungsweg in der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode ausgebildet sein, wie in 6 gezeigt.)
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Die bipolare Platte 140 ist eine Komponente, die die Elementarzellen trennt, den Elektrolyten vollständig blockiert und nur einen Durchfluss von Elektrizität ermöglicht, und eine thermoplastische Harzfolie wird bei der vorliegenden Erfindung als bipolare Platte verwendet. Das thermoplastische Harz selbst ist nicht leitfähig. Jedoch dringt die Elektrode während derThermokompression mit der Elektrode in das Harz ein, und währenddessen ist das Harz leitfähig.
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3 zeigt Komponenten zum Herstellen der Anordnung der Elektrode 170 und der bipolaren Platte von 7 als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Eine Fasermatte 150 ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material wie einer dünnen Folie hergestellt (Material ähnlich einem Vliesstoff), die aus einem Fasermaterial (Kohlenstofffaser, Glasfaser oder Ähnliches) oder Kohlenstofffilz mit sehr geringer Dicke hergestellt ist, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Damit jedoch die Fasermatte 150 an der Redox-Flussbatterie angewandt werden kann, ist es nötig, ein säureresistentes Material zu verwenden, und die äußere Größe der Fasermatte 150 muss gleich der äußeren Größe der thermoplastischen Harzfolie als Material der bipolaren Platte 140 sein, und die innere Öffnung muss kleiner als die äußere Größe der Elektrode 170 sein.
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Eine Montage-Schablone 160 komprimiert die Fasermatte und die bipolare Platte 140, die die thermoplastische Harzfolie ist, in einem Heißpressvorgang, so dass die Faser in die bipolare Platte eindringt, und die Dicke der Montage-Schablone 160 ist kleiner als die Elektrode 170. Die äußere Größe der Montage-Schablone ist gleich der äußeren Größe der bipolaren Platte 140, und die innere Öffnung ist gleich der äußeren Größe der Elektrode 170.
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4 zeigt einen Zustand, in dem die in 3 aufgezählten Komponenten zwischen Heizplatten 200A und 200B gestapelt sind. Fasermatten 150A und 150B sind an beiden Peripherien der bipolaren Platte 140 angeordnet. Die äußere Größe der Fasermatte 150 ist gleich der äußeren Größe der thermoplastischen Harzfolie, die das Material der bipolaren Platte 140 ist, so dass die Fasermatte und die bipolare Platte parallel ausgerichtet werden können.
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Anschließend werden die Elektroden 170A und 170B an beiden zentralen Abschnitten der bipolaren Platte 140 angeordnet, und da die äußeren Größen der Elektroden 170A und 170B größer als die inneren Öffnungen der Fasermatten 150A und 150B sind, wird ein überlappender Abschnitt wie ein Kreis A erzeugt.
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Anschließend werden die Schablonen 160A und 160B an den Fasermatten 150A und 150B angeordnet. Die äußeren Größen der Schablonen sind gleich der äußeren Größe der bipolaren Platte 140, und die innere Öffnung ist gleich der äußeren Größe der Elektroden 170A und 170B, so dass die Schablonen 160A und 160B nur auf den Fasermatten 150A und 150B angeordnet sind. Wenn anschließend das Heißpressen in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Heizplatten 200A und 200B an beiden Seiten angeordnet sind, wird eine Presssituation erzeugt, wie in 5 gezeigt.
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Zusätzlich kann die Reihenfolge des Anordnens der Elektroden 170A und 170B und der Schablonen 160A und 160B geändert werden.
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Wenn das Heißpressen durchgeführt wird, dringen dabei die Fasermatten 150A und 150B, die an beiden Seiten der bipolaren Platte 140 angeordnet sind, und die Elektroden 170A und 170B in die bipolare Platte ein, um darin integriert zu werden, und die bipolare Platten-Elektroden-Anordnung, wie in 6 und 7 gezeigt, wird gebildet.
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Nur die Fasermatten 150A und 150B dringen in die Peripherie 141 der bipolaren Platte 140 ein, und die Elektroden 170A und 170B dringen in das Zentrum der bipolaren Platte ein. Die Fasermatte und die Elektrode dringen gleichzeitig in die bipolare Platte an dem inneren Abschnitt der Elektrodenperipherie ein.
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Erfindungsgemäß wird die Fasermatte 150 auf die Peripherie 141 der bipolaren Platte 140 ohne die Elektrode 170 aufgebracht, um die Stärke zu erhöhen, und die Elektrode 170 und die Fasermatte 150 überlappen sich teilweise, um eine Schwächung der Peripherie der Elektrode 170 oder der Fasermatte 150 zu verhindern.
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Die Fasermatte 150 dringt durch den Kompressionsvorgang vollständig in die bipolare Platte 140 in Form der Harzfolie ein, so dass eine glatte Oberfläche an der Peripherie 141 gebildet wird, und die glatte Oberfläche 141 kann an dem angrenzenden Flussrahmen 16 befestigt werden.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Strömungsweg 142 durch die Elektrode 170 an der bipolaren Platte 140 ausgebildet ist. Das ermöglicht es dem Elektrolyten, zwischen zwei oder mehr rechteckigen Filzelektroden hindurchzugehen, um den Druckabfall des Elektrolyten zu reduzieren, wodurch die Systemeffizienz verbessert wird.
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Die Elektroden-/bipolare Platten-Anordnung von 8 kann einen Strömungsweg an einem zentralen Abschnitt der Elektrode 170 in der Elektroden-/bipolaren Platten-Anordnung bilden, die in 6 hergestellt wird, wobei ein Bearbeitungswerkzeug oder ein Gravierstichel verwendet wird, wie in 9 gezeigt. Der bipolare Plattenfilz, der mit der Elektrode verbunden ist, ist in einen eingesetzten Abschnitt (141) eingedrungen, und der eingesetzte Abschnitt hat eine ausreichend hohe Stärke.
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Die in 8 gezeigte Elektroden-/bipolare Platten-Anordnung kann wie folgt gebildet werden: Anordnen einer Fasermatte 150', die zwei oder mehr innere Öffnungen, an beiden Seiten der bipolaren Platte 140, wie in 10 gezeigt, aufweist, Anordnen von zwei oder mehr Elektroden 170', und anschließendes Anordnen und Heißpressen einer Schablone 160', die zwei oder mehr innere Öffnungen aufweist.
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Zusätzlich kann die Reihenfolge des Anordnens der Elektrode 170' und der Schablone 160' geändert werden.
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Als Material der Elektrode können Graphitfilz, Kohlenstofffilz, Kohlenstoffpapier, Kohlenstofftuch oder Ähnliches verwendet werden.
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Die thermoplastische Harzfolie, die das Material der bipolaren Platte 140 bildet, kann Polyethylen (PE)-, Polypropylen (PP)-, Polystyrol (PS)-, Polyvinylchlorid (PVC)-, Polycarbonat (PC)-, Polyethylenterephthalatharz (PET)-, Polyethylenterephthalat (PETG)-, Polymethylmethacrylat (PMMA)- und Acrylonitril-Butadien-Styrol (ABS)-Folien verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 20160167688 [0001]
- US 6656639 B1 [0008, 0009]
