DE112018000798T5

DE112018000798T5 - Blattfeder-kompressionssystemauslegung

Info

Publication number: DE112018000798T5
Application number: DE112018000798.7T
Authority: DE
Inventors: Craig E. Evans; Sean Casey
Original assignee: ESS Technology Inc; ESS Tech Inc
Current assignee: ESS Technology Inc; ESS Tech Inc
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-12-12
Also published as: CN110313093B; US10777913B2; CN110313093A; US20180233834A1; WO2018148330A1

Abstract

Es wird ein Blattfeder-Kompressionssystem offenbart, welches eine mechanische Baugruppe zum Befestigen von mehreren Blattfedern an einem Batteriezellenstapel eines Flow-Batteriesystems umfasst. Der Zellenstapel kann umfassen: mehrere Zellen, die zusammengestapelt sind, um eine Flow-Batterie zu bilden; und ein Kompressionssystem, umfassend mindestens zwei Zugstangen, die sich durch die mehreren Zellen erstrecken, die eine Feder einklemmen, die an gegenüberliegenden Enden wirkt, um die Zellen zusammenzudrücken, wobei die Feder mindestens zwei Drehpunktelemente berührt, die zwischen den Zugstangen positioniert sind. Auf diese Weise kann das Kompressionssystem eine gleichmäßige Belastung auf den Batteriezellenstapel ausüben, während es gleichzeitig eine Auslenkung von an dem Zellenstapel angebrachten Druckplatten minimiert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/458,446 mit dem Titel „Leaf Spring Compression System Design“, eingereicht am 13. Februar 2017, deren gesamter Inhalt hiermit durch Verweis für alle Zwecke vollumfänglich mita13ufgenommen ist.
GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Verfahren und Systeme für ein Blattfeder-Kompressionssystem zur Befestigung eines Batteriezellenstapels eines Flow-Batteriesystems.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
Eine Reduktions-Oxidations(Redox)-Flow-Batterie ist eine elektrochemische Vorrichtung, die in einer Batterie gespeicherte chemische Energie durch Redoxrückreaktionen in elektrische Energie umwandelt. Bei entladener Batterie wird durch Anlegen eines elektrischen Stroms zum Induzieren von Redoxrückreaktionen die chemische Energie in der Batterie wiederhergestellt.
Im Allgemeinen umfasst die Redox-Flow-Batterie negative und positive Elektroden, die in einem Batteriezellenstapel enthalten sind. Diese Elektroden sind an elektrochemischen Reaktionen beteiligt, die für Speicherung und Freisetzung chemischer Energie in der Batterie verantwortlich sind, und wirken sich somit auf Batterieleistung und Gesamtkosten aus. In der Praxis werden mehrere Batteriezellen elektrisch in Reihe gestapelt, um eine Sollspannung oder einen Sollleistungswert zu erzeugen. Umfangsabstandshalter können zwischen gestapelten Zellen gesetzt werden, um ein Polster zwischen Batteriezellen vorzusehen, während gleichzeitig eine elektrische Verbindungsfähigkeit der Zellenstapel ermöglicht wird. Jeder Zellenstapel wird zwischen zwei starren Endplatten mithilfe eines Kompressionssystems zusammengepresst, das darauf abzielt, eine ausreichende Kraft bereitzustellen, um den Zellenstapel abzudichten und einen aktiven Bereich des Batteriezellenstapels zusammenzupressen, ohne die Komponenten zu stark zu belasten. Das Kompressionssystem versucht auch, Änderungen der Stapelhöhe, die durch thermisches Ausdehnen und Zusammenziehen des Zellenstapels während des Betriebs verursacht werden, Rechnung zu tragen, obwohl diese Ziele das Gleichgewicht zwischen einer ausreichenden, aber nicht übermäßigen Druckkraft aufs Spiel setzen können.
Ein beispielhaftes Kompressionssystem wird von Blanchet in US 6,413,665 vorgestellt. Das System umfasst mechanische Feder- und Gestängeanordnungen, die in Verbindung mit Zugstangen und Stäben zum Zusammenpressen eines Brennstoffzellenstapels verwendet werden. Der Gestängemechanismus enthält einen Hebel und Stifte, um eine von der Federanordnung durch die Zugstangen und Stäbe (die an einer Endplatte angebracht sind, die an der Unterseite des Zellenstapels befestigt ist) ausgeübte Presskraft auf den Brennstoffzellenstapel zu übertragen. Weiterhin enthält die Federanordnung mehrere Federn, die konfiguriert sind, um ein abnehmendes Belastungsprofil bereitzustellen, wenn der Brennstoffzellenstapel durch Zellenverdichtung komprimiert wird. Andere Zellenstapel-Kompressionssysteme können große Schraubenfedern umfassen, die an einer Endplatte angebracht sind, die um einen Batteriezellenstapel einer Flow-Batterie gespannt ist. Die Schraubenfedern sind so konzipiert, dass sie eine Drucklast von einem Gestängemechanismus auf den Batteriezellenstapel übertragen.
Die Erfinder haben jedoch mögliche Probleme bei einem solchen Kompressionssystem für Zellenstapel erkannt. Beispielsweise können Druckbelastungen, die nur an einem Ende des Zellenstapels ausgeübt werden, eine asymmetrische Belastung des Zellenstapels und vorzeitig einen strukturellen Abbau erzeugen. Darüber hinaus können Probleme, die im Zusammenhang mit den Druckbelastungen und der Ausdehnung sowie den Wechselwirkungen zwischen diesen stehen, insbesondere bei Flow-Batteriesystemen auftreten.
Als ein weiteres Beispiel können Schraubenfedern, die so konzipiert sind, dass sie eine Belastung an der Basis der Federn und um den Umfang des Zellenstapels vorsehen, eine ungleichmäßige Belastung des Zellenstapels erzeugen, was größere Auslenkungen als zulässig bewirkt. Zu große Auslenkungen können zu instabilen Bedingungen in dem Batteriezellenstapel führen, was sich auf die Leistung der Flow-Batterie auswirkt.
Die vorliegenden Erfinder haben die vorstehenden Probleme erkannt und verschiedene Kompressionssysteme für Batteriezellenstapel entwickelt. In einem Beispiel kann ein Kompressionssystem, das eine Zugstangenanordnung umfasst, in Verbindung mit Verstärkungsstäben, mehreren Federn, wie beispielsweise Blattfedern, und Drehpunkten verwendet werden, um eine Druckbelastung auf Druckplatten auszuüben, die an einem Batteriezellenstapel einer Flow-Batterie angebracht sind. Die Zugstangenanordnung kann verstellbar sein, um eine gewünschte Druckbelastung zu erzeugen, die durch die Blattfedern auf den Batteriezellenstapel übertragen werden kann. Ein Paar Drehpunkte, die hinter jeder Blattfeder positioniert sind, können konfiguriert sein, um die von der Zugstangenanordnung ausgeübte Druckbelastung zu einem aktiven Bereich des Zellenstapels umzulenken, um eine gleichmäßige Belastung des Zellenstapels aufrechtzuerhalten. Durch Umlenken der auf den Zellenstapel ausgeübten Druckbelastung kann das Kompressionssystem eine ungleichmäßige Belastung des Batteriezellenstapels reduzieren und gleichzeitig Auslenkungen im Zellenstapelsystem auf Schwellenwerte begrenzen.
Der hier beschriebene Ansatz kann mehrere Vorteile mit sich bringen. So kann beispielsweise das Kompressionssystem so ausgelegt sein, dass es unter einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen eine gleichmäßige Belastung des Batteriezellenstapels vorsieht. Darüber hinaus kann das Kompressionssystem angepasst werden, um ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Zellenstapels während des Betriebs zu ermöglichen, während die Auslenkung des Zellenstapelsystems innerhalb zulässiger Werte gehalten und Gesamtkosten minimiert werden.
Die vorstehende Diskussion beinhaltet Erkenntnisse der Erfinder, die nicht als allgemein bekannt betrachtet werden. Es versteht sich, dass die vorstehende Zusammenfassung vorgesehen ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der eingehenden Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie dient nicht dazu, ausschlaggebende oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu benennen, dessen Schutzumfang allein durch die Ansprüche festgelegt wird, die auf die eingehende Beschreibung folgen. Der beanspruchte Gegenstand ist ferner nicht auf Umsetzungen beschränkt, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung genannte Nachteile lösen.
Figurenliste

1 zeigt ein Schaubild eines beispielhaften Redox-Flow-Batteriesystems.
2 zeigt ein Schaubild einer ersten Ausführungsform eines Batteriezellenstapels eines Flow-Batteriesystems.
3 zeigt eine Querschnittsansicht der ersten Ausführungsform des B atteriezellenstape ls.
4A zeigt ein Schaubild einer zweiten Ausführungsform eines Batteriezellenstapels eines Flow-Batteriesystems.
4B zeigt eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform des Batteriezellenstapels.
5 zeigt eine Querschnittsansicht der zweiten Ausführungsform des B atteriezellenstapels.
6 zeigt eine Explosionsansicht der zweiten Ausführungsform des B atteriezellenstapels.
7 zeigt eine beispielhafte Blattfeder mit Betriebslasten und Drehpunkten, die so positioniert sind, dass sie eine auf einen Batteriezellenstapel ausgeübte Belastung verteilen.
8 zeigt eine Auslenkung einer beispielhaften Blattfeder, die oben, unten und in der Mitte eines Batteriezellenstapels angeordnet ist.
9 zeigt einen beispielhaften Gehäusedurchbruch, der durch einen Stopfen verschlossen ist.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren für ein Federkompressionssystem, das ein Zugstangenanordnungssystem zum Befestigen mehrerer Federn, wie beispielsweise Blattfedern, auf einem Batteriezellenstapel eines Flow-Batteriesystems umfasst. Das Federsystem kann konfiguriert werden, um eine gleichmäßige Belastung des Batteriezellenstapels zu erzeugen, was die Auslenkung einer an dem Zellenstapel angebrachten Druckplatte minimiert und die Leistung der Flow-Batterie verbessert, während Gesamtkosten gesenkt werden. Bei einer beispielhaften Konfiguration der Struktur können mehrere Blattfedern mit der Oberseite, Mitte und der Unterseite einer Druckplatte gekoppelt werden, die an einer Seite oder beiden Seiten eines Zellenstapels unter Verwendung von mehreren Zugstangenanordnungen befestigt ist. Ein Paar Drehpunkte kann hinter jeder Blattfeder platziert werden, um eine Druckbelastung von einem Paar Zugstangenanordnungen zu einem aktiven Bereich des Zellenstapels umzulenken, während eine Auslenkung des Zellenstapels minimiert wird.
Redox-Flow-Batteriesysteme, wie in einem Beispiel in 1 veranschaulicht, können eine All-Eisen-Hybrid-Redox-Flow-Batterie (IFB), eine Zn-Br2+ Flow-Batterie oder eine Zn-NiOOH (MnO2)-Batterie beinhalten und können eine Elektrode umfassen. Die Elektrode kann als Plattierungselektrode, RedoxElektrode oder als beide Elektroden in einem Redox-Flow-Batteriesystem verwendet werden. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Batteriezellenstapels einer Flow-Batterie. Der Batteriezellenstapel ist auf beiden Seiten mit einem Zugstangenanordnungssystem gesichert, das eine Druckkraft auf einen Satz Blattfedern ausübt, die auf einer ersten Seite des Zellenstapels montiert sind. 3 zeigt eine Querschnittansicht der ersten Ausführungsform des Batteriezellenstapels, wobei mehrere Drehpunkte in unterschiedlichen Abständen hinter einem Satz von Blattfedern angeordnet sind, die an oberen, mittleren und unteren Positionen an dem Zellenstapel angebracht sind. Die Drehpunkte können hinter jeder Blattfeder platziert werden, um eine auf den Batteriezellenstapel ausgeübte Drucklast entlang aktiver Bereiche des Zellenstapels zu leiten, wodurch die Auslenkung von am Zellenstapel angebrachten Druckplatten minimiert wird.
Eine zweite Ausführungsform des Batteriezellenstapels ist in 4A dargestellt. Der Batteriezellenstapel wird durch ein System zusammengehalten, das eine Zugstangenanordnung, Verstärkungsstäbe und Blattfedern umfasst. Druckplatten können auf jeder Seite des Zellenstapels positioniert und mithilfe von Zugstangen, die sich über eine Länge des Zellenstapels erstrecken können, zusammengehalten werden. Eine erste Druckplatte kann an einem stromaufwärts gelegenen Ende des Zellenstapels und eine zweite Druckplatte an einem stromabwärts gelegenen Ende des Zellenstapels positioniert werden. Ein erster Satz von Zugstangen kann mehrere Blattfedern auf einer ersten Seite des Zellenstapels sichern und sich durch die erste und zweite Druckplatte zu mehreren Blattfedern erstrecken, die auf einer zweiten Seite des Zellenstapels montiert sind. Ein zweiter Satz von Zugstangen kann Blattfedern auf der ersten Seite des Zellenstapels sichern und sich entlang des Zellenstapels zu den Blattfedern, die auf der zweiten Seite des Stapels montiert sind, erstrecken. 4B zeigt eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform des Batteriezellenstapels, wobei sich der erste und zweite Satz von Zugstangen von der ersten Seite zur zweiten Seite des Zellenstapels erstrecken. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der zweiten Ausführungsform des Batteriezellenstapels. Die Blattfedern auf dem Zellenstapel können an oberen, mittleren und unteren Positionen montiert werden, wie in 5 dargestellt ist. Ein Paar Drehpunkte kann angrenzend an jedes Blatt positioniert werden, um auf den Batteriezellenstapel ausgeübten Druckbelastungen entlang aktiver Bereiche des Zellenstapels zu lenken. Ein erster Satz von Drehpunkten an den oberen Blattfedern kann bei einem ersten Abstand von den Zugstangen positioniert werden, die die Blattfeder am Zellenstapel sichern. Ein zweiter Satz von Drehpunkten an den mittleren Blattfedern kann bei einem zweiten Abstand von den Zugstangen positioniert werden, die die zweite Blattfeder am Zellenstapel sichern. Ein dritter Satz Drehpunkte an den unteren Blattfedern kann bei einem dritten Abstand von den Zugstangen positioniert werden, die die dritte Blattfeder an dem Zellenstapel sichern. Auf diese Weise können die Drehpunkte an den oberen, mittleren und unteren Blattfedern adäquat positioniert werden, um auf den Batteriezellenstapel ausgeübte Belastungen umzuverteilen und gleichzeitig Auslenkungen an dem Zellenstapel innerhalb zulässiger Schwellenwerte zu halten.
6 zeigt eine Explosionsansicht der zweiten Ausführungsform des Batteriezellenstapels. Der Batteriezellenstapel kann mit Hilfe von Zugstangen, die sich durch Blattfedern erstrecken (in Verstärkungsstäben gehalten), zusammengebaut werden und Druckplatten können auf beiden Seiten des Zellenstapels platziert werden. Darüber hinaus kann eine Verriegelungsanordnung mit einer Buchse, einem Bund und einer Welle vorgesehen werden, um Öffnungen im Zellenstapel zu verschließen oder zu blockieren. 7 zeigt eine beispielhafte Blattfeder (dargestellt als Balken) mit Betriebslasten und Drehpunkten, die so positioniert sind, dass sie Drucklasten (die auf einen Batteriezellenstapel ausgeübt werden) entlang aktiver Bereiche des Zellenstapels lenken. 8 zeigt die Auslenkung von beispielhaften Blattfedern der in 2-4A dargestellten Batteriezellenstapel. Die beispielhaften Blattfedern können oben, in der Mitte und unten auf jedem Batteriezellenstapel platziert werden, wobei Drehpunkte an ausgewählten Stellen entlang jeder Blattfeder positioniert sind, wie in 3 und 5 dargestellt ist.
1-6 zeigen beispielhafte Konfigurationen mit relativer Positionierung der verschiedenen Komponenten des Batteriezellenstapels. Wenn sie einander direkt kontaktierend oder direkt gekoppelt gezeigt sind, dann können solche Elemente zumindest in einem Beispiel als direkt kontaktierend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Analog können Elemente, die durchgehend oder aneinander angrenzend gezeigt sind, mindestens in einem Beispiel durchgehend bzw. aneinander angrenzend sein. Zum Beispiel können Komponenten, die zueinander in flächigem Kontakt liegen, als in flächigem Kontakt stehend bezeichnet werden. Als weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei nur ein Raum und keine anderen Komponenten dazwischen liegen, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch weiteres Beispiel können Elemente, die über/unter einander, an zueinander gegenüberliegenden Seiten oder links/rechts von einander gezeigt sind, im Verhältnis zueinander so bezeichnet werden. Wie in den Figuren gezeigt ist, kann in mindestens einem Beispiel ferner ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden, und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Wie hierin verwendet können Oberseite/Unterseite, oberer/unterer, oberhalb/unterhalb relativ zu einer vertikalen Achse der Figuren sein und können verwendet werden, um die Positionierung von Elementen der Figuren relativ zueinander zu beschreiben. Somit sind in einem Beispiel Elemente, die oberhalb von anderen Elementen gezeigt sind, vertikal oberhalb der anderen Elemente positioniert. Als noch weiteres Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren dargestellt sind, als diese Formen aufweisend (z.B. als kreisförmig, gerade, eben, gebogen, gerundet, abgefast, abgewinkelt oder dergleichen) bezeichnet werden. Einander schneidend gezeigte Elemente können in mindestens einem Beispiel ferner als sich schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Des Weiteren kann in einem Beispiel ein Element, das in einem anderen Element gezeigt ist oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, als solches bezeichnet werden. 1-6 sind maßstabgetreu gezeichnet, doch können andere relative Maße verwendet werden.
Unter Verweis auf 1 ist ein beispielhaftes Schaubild eines Redox-Flow-Batteriesystems 10 vorgesehen, wobei eine einzelne Redox-Batteriezelle 18 dargestellt ist. Die einzelne Redox-Batteriezelle umfasst allgemein eine Kammer 20 für eine negative Elektrode, eine Kammer 22 für eine positive Elektrode und einen Separator 24. Der Separator 24 ist zwischen den Kammern für die negative und die positive Elektrode positioniert. In manchen Beispielen können mehrere Redox-Batteriezellenstapel 18 in Reihe und/oder parallel kombiniert werden, um in dem Redox-Flow-Batteriesystem eine höhere Spannung und/oder einen höheren Strom zu erzeugen.
Die Kammer 20 für die negative Elektrode kann eine negative Elektrode 26 und einen ersten Elektrolyt, auch als Elektrolyt der negativen Elektrode bezeichnet, umfassen, der elektroaktive Materialien enthält. Analog kann die Kammer 22 für die positive Elektrode eine positive Elektrode 28 und einen zweiten Elektrolyt, auch als Elektrolyt der positiven Elektrode bezeichnet, umfassen, der elektroaktive Materialien enthält.
Der Separator 24 kann eine elektrisch isolierende ionenleitende Sperrschicht umfassen. Der Separator dient dazu, ein Massemischen des ersten Elektrolyten in der Kammer 20 für die negative Elektrode mit dem zweiten Elektrolyten in der Kammer 22 für die positive Elektrode zu verhindern, während immer noch die Leitfähigkeit bestimmter Ionen durch diese ermöglicht wird. In einem Beispiel kann der Separator 24 eine lonenaustauschmembran umfassen. In einem anderen Beispiel kann der Separator 24 eine mikroporöse Membran umfassen.
Die Elektrolyten können typischerweise in Behältern außerhalb der Redox-Batteriezelle 18 gespeichert werden. Der Elektrolyt kann mittels Pumpen 30 und 32 durch die Kammer 20 für die negative Elektrode bzw. die Kammer 22 für die positive Elektrode gepumpt werden. In dem hierin gezeigten Beispiel wird der erste Elektrolyt an einer ersten Elektrolytquelle 50 gespeichert, welche weiterhin einen externen ersten Elektrolytbehälter (nicht gezeigt) umfassen kann, und der zweite Elektrolyt wird an einer zweiten Elektrolytquelle 52 gespeichert, welche weiterhin einen externen zweiten Elektrolytbehälter (nicht gezeigt) umfassen kann.
Während Laden der Batterie wird an der negativen Batterieklemme 40 und der positiven Batterieklemme 42 Strom angelegt. Während des Ladens wird an der positiven Elektrode 28 der Elektrolyt der positiven Elektrode oxidiert, verliert ein oder mehrere Elektronen, und an der negativen Elektrode 26 wird der Elektrolyt der negativen Elektrode reduziert, gewinnt ein oder mehrere Elektronen.
Während Entladung der Batterie treten die Redox-Umkehrreaktionen zu den Ladungsreaktionen an den Elektroden auf. Während der Entladung wird somit an der positiven Elektrode 28 der Elektrolyt der positiven Elektrode reduziert und an der negativen Elektrode 26 wird der Elektrolyt der negativen Elektrode oxidiert. In einem Beispiel können die positive Elektrode und die negative Elektrode die nachstehend beschriebene kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode sein.
Die elektrochemische Redoxreaktion in der Kammer 20 für die negative Elektrode und der Kammer 22 für die positive Elektrode wahrt über dem Redox-Flow-Batteriesystem eine Differenz des elektrischen Potenzials und kann durch einen Leiter einen Strom induzieren, während die Reaktionen aufrechterhalten werden. Die Energiemenge, die Kapazität, die von einem Redox-Flow-Batteriesystem gespeichert wird, kann durch die Menge elektroaktiven Materials in den Elektrolyten für Entladung beschränkt werden. Die Menge elektroaktiven Materials beruht auf dem Gesamtvolumen der Elektrolyten und der Löslichkeit der elektroaktiven Materialien. Weiterhin kann die von dem Redox-Flow-Batteriesystem gespeicherte Energiemenge durch die Menge festen Eisens, die die negative Elektrode speichern kann, beschränkt werden.
Während des Betriebs des Redox-Flow-Batteriesystems können Sensoren und Fühler genutzt werden, um chemische Eigenschaften des Elektrolyten zu überwachen und zu steuern, etwa den pH-Wert des Elektrolyten, die Konzentration, den Ladungszustand und dergleichen. Beispielsweise kann das Redox-Flow-Batteriesystem Sensoren 60 und 62 umfassen, die positioniert sein können, um die Bedingungen des Elektrolyten an der ersten Elektrolytquelle 50 bzw. der zweiten Elektrolytquelle 52 zu überwachen. Als weiteres Beispiel kann das Redox-Flow-System Sensoren 70 und 72 umfassen, die positioniert sein können, um die Bedingungen an der Kammer 20 für die negative Elektrode bzw. der Kammer 22 für die positive Elektrode zu überwachen.
Das Redox-Flow-Batteriesystem kann weiterhin andere Sensoren umfassen, die an anderen Stellen im Redox-Flow-Batteriesystem positioniert sind, um die chemischen Eigenschaften und andere Eigenschaften des Elektrolyten zu überwachen. Beispielsweise kann das Redox-Flow-Batteriesystem ein oder mehrere Sensoren umfassen, die in einem externen Säurebehälter angeordnet sind, wobei mittels einer externen Pumpe dem Redox-Flow-Batteriesystem Säure zugeführt werden kann, um in den Elektrolyten Präzipitatbildung zu reduzieren. Der eine oder die mehreren Sensoren kann/können das Säurevolumen oder den pH-Wert in dem externen Säurebehälter überwachen. Zum Zuführen anderer Zusätze zu dem Redox-Flow-Batteriesystem können zusätzliche externe Behälter und Sensoren aufgenommen werden.
Das Redox-Flow-Batteriesystem kann mindestens teilweise durch ein Steuersystem, das ein Steuergerät 80 umfasst, gesteuert werden. Das Steuergerät 80 kann von den in dem Redox-Flow-Batteriesystem positionierten verschiedenen Sensoren Sensorinformationen erhalten. Beispielsweise kann das Steuergerät 80 Pumpen 30 und 32 aktivieren, um das Strömen der Elektrolyten durch die Redox-Batteriezelle 18 zu steuern. Das Steuergerät 80 kann somit auf einen oder mehrere der Sensoren und/oder Fühler ansprechen, die im ganzen Redox-Flow-Batteriesystem positioniert sind.
Bei einem Hybrid-Flow-Batteriesystem kann die negative Elektrode 26 als Plattierungselektrode bezeichnet werden und die positive Elektrode 28 kann als Redoxelektrode bezeichnet werden. Der Elektrolyt der negativen Elektrode in der Kammer 20 für die negative Elektrode (hierin auch als Plattierungsseite bezeichnet) der Batterie kann als Plattierungselektrolyt bezeichnet werden, und der Elektrolyt der positiven Elektrode in der Kammer 22 der positiven Elektrode (nachstehend auch als Redoxseite bezeichnet) der Batterie kann als Redoxelektrolyt bezeichnet werden.
Wie bereits erwähnt ist ein Beispiel für eine Hybrid-Flow-Batterie eine IFB, welche Eisen als Elektrolyt für Plattieren und Redoxreaktionen nutzt. Die IFB kann einen verträglichen Elektrolyten, der Eisensalze beinhaltet, umfassen. Der verträgliche Elektrolyt ist nicht zu sauer (pH<0) oder zu alkalisch (pH>14) und kann beispielsweise einen pH-Wert nahe neutral aufweisen: ein negativer IFB-Elektrolyt arbeitet zwischen pH-Werten von 3-4. Wie hierin verwendet sieht der Ausdruck pH-Wert um neutral einen pH-Wertbereich vor, bei dem das für die offenbarte Elektrode verwendete Kunststoffnetzmaterial bei den Potenzialen, die während des Ladens und Entladens der Redox-Flow-Batterie angelegt werden, in dem Elektrolyten nicht degradiert. Die IFB umfasst eine Plattierungselektrode, wobei während Laden Eisen abgeschieden wird und während Entladen abgelöst wird, eine Redoxelektrode, bei der es zu Redoxreaktion von Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen kommt, einen Separator, der ein Mischen von Elektrolyten verhindert und einen Ionenweg vorsieht, sowie Elektrolyte, in denen die Energie der IFB gespeichert wird. Die Kapazität einer IFB-Batterie kann durch die in den externen Behältern gespeicherte Menge von Elektrolyten sowie die Menge von Eisen, das auf die negative Elektrode plattiert wird, gesteuert werden.
Die elektrochemischen Redoxreaktionen für eine IFB-Batterie sind in den Gleichungen (1) und (2) zusammengefasst, wobei die Hinreaktionen (links nach rechts) elektrochemische Reaktionen während Batterieladung zeigen und die Rückreaktionen (rechts nach links) elektrochemische Reaktion während Batterieentladung zeigen. Fe²⁺ + 2e^- ↔ Fe⁰ (Negative Elektrode) (1) 2 Fe²⁺ ↔ 2Fe³⁺ + 2e^- (Positive Elektrode) (2)
An der Plattierungsseite der IFB sieht der Plattierungselektrolyt eine ausreichende Menge Fe2+ vor, so dass während Ladung das Fe2+ zwei Elektronen von der negativen Elektrode gewinnt, um Fe0 zu bilden, welches auf ein Substrat plattiert. Während Entladung verliert das plattierte Fe0 zwei Elektronen, wobei es zu Fe2+ ionisiert und sich zurück in den Plattierungselektrolyten auflöst. Das Gleichgewichtspotenzial der Reaktion der negativen Elektrode liegt bei -0,44V und somit sieht Reaktion (1) für das IFB-System einen Minuspol vor. An der Redoxseite der IFB sieht der Redoxelektrolyt während Ladung Fe2+ vor, welches ein Elektron an die Redoxelektrode verliert und zu Fe3+ oxidiert. Während Entladung gewinnt das Fe3+ ein Elektron von der Redoxelektrode, was Fe2+ erzeugt. Das Gleichgewichtspotenzial der Reaktion der positiven Elektrode liegt bei +0,77V und somit sieht Reaktion (2) für das IFB-System einen Pluspol vor.
Unter Bezug auf 2 ist eine dreidimensionale Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Batteriezellenstapels 200 dargestellt, der als Stapel 18 der Flow-Batterie 10 verwendet werden kann. Der Batteriezellenstapel 200 umfasst mehrere Reaktorzellen 202, die mit den hierin offenbarten Ausführungsformen übereinstimmen. Die Reaktorzellen 202 können zusammengehalten werden, indem Druckplatten 207 und Verstärkungsstäbe 208A-C, die Blattfedern 206A-C halten, auf beiden Seiten der Reaktorzellen montiert werden und der Zellenstapel mithilfe der Zugstangenanordnungen 203 und 204 gesichert wird. Der Batteriezellenstapel 200 kann mehrere Öffnungen 216 umfassen. Die Öffnungen 216 können durch eine Verriegelungsanordnung oder andere geeignete Schließmechanismen wie Kappen, Stopfen usw. verschlossen oder blockiert werden.
Wie in 2 dargestellt können die Reaktorzellen 202 in dem Batteriezellenstapel mit mehreren Zugstangenanordnungen 203 und 204 zusammengehalten werden, die einstellbar sein können, um eine gleichmäßige Druckbelastung über den Zellenstapel anzulegen. Alternativ können die Reaktorzellen 202 in dem Batteriezellenstapel mit mehreren speziell hergestellten Schrauben oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln zusammengehalten werden. Die Blattfedern 206A-C können in von Verstärkungsstäben 208A-C jeweils mithilfe von Zugstangenanordnungen 203 und 204 befestigt werden, und jeder Verstärkungsstab 208A-C kann direkt oder indirekt an der Druckplatte 207 auf einer ersten Seite 212 oder einer zweiten Seite 214 des Batteriezellenstapels 200 angebracht werden, beispielsweise mit einem Presssitz, einem Befestigungsmittel, einer Schweißnaht, einem Klebstoff oder anderen Mitteln der mechanischen Montage. In einer Ausführungsform kann die Druckplatte 207 mit einer Mutter, einer Unterlegscheibe und einer Schraubenanordnung sicher an Verstärkungsstäben 208A-C befestigt werden. In einem alternativen Beispiel kann die Druckplatte 207 mit Nieten an Verstärkungsstäben 208A-C befestigt werden. In anderen Beispielen kann die Druckplatte 207 an Verstärkungsstäbe 208A-C geschweißt werden. In weiteren Beispielen kann eine Presspassung genutzt werden, um die Druckplatte 207 und die Verstärkungsstäbe 208A-C zusammenzuhalten. In weiteren Ausführungsformen kann die Druckplatte 207 beispielsweise durch eine Druckkraft, die auf jede Blattfeder des Zellenstapels ausgeübt wird, an Verstärkungsstäben 208A-C befestigt werden. Jede Blattfeder 206A-C, die mit zwei Drehpunkten (nicht dargestellt) innen an jedem Verstärkungsstab 208A-C in Kontakt gebracht wird, kann an einer Stangenposition 209 durch Anziehen einer Mutter 205 der Zugstangenanordnungen 203 und 204 komprimiert werden, wobei ein glatter Abschnitt der Schraube durch den Zellenstapel zu Verstärkungsstäben 211A-C tritt, die direkt mit der Druckplatte 207 auf der zweiten Seite 214 des Batteriezellenstapels gekoppelt sind. Mehrere Muttern (nicht dargestellt) können an jeder Zugstangenanordnung auf der zweiten Seite 214 angezogen werden, wodurch zusätzliche Druckkraft auf den Zellenstapel ausgeübt wird.
Die auf die Blattfedern 206A-C ausgeübte Druckkraft kann an den Drehpunkten zu einem aktiven Bereich des Zellenstapels umgelenkt werden, um die Auslenkung der Druckplatten 207 zu reduzieren. Die Drehpunktpositionen entlang jeder Blattfeder 206A-C können durch Iteration basierend auf einem gewünschten Zellenstapelbelastungsprofil und anderen strukturellen Überlegungen ausgewählt werden. Zum Beispiel können die Drehpunkte zylindrisch, halbzylindrisch oder zu einer durch Iteration bestimmten Endform geformt sein. In einem Beispiel kann die Endform des Drehpunktes die auf die Blattfedern 206A-C ausgeübte Last über Druckplatten 207 verteilen, wodurch ein gewünschtes Belastungsprofil vorgesehen wird. Die Drehpunkte können an jedem Verstärkungsstab 208A-C angebracht oder direkt auf den Druckplatten 207 platziert werden. In einem weiteren Beispiel können die Drehpunkte in die Druckplatten 207 oder die Verstärkungsstäbe 208A-C geformt werden. In anderen Beispielen können die Blattfedern 206A-C so geformt werden, dass sie eine Drehpunktfläche in Form einer vorgebogenen Feder vorsehen. Die Verstärkungsstäbe 208A-C können U-Kanäle oder Rohre sein, die an den Druckplatten 207 eingeschlossen oder umspritzt sind. In alternativen Ausführungsformen können die Blattfedern 206A-C direkt an den Druckplatten 207 angebracht werden, ohne die Verstärkungsstäbe 208A-C zu verwenden. In weiteren Ausführungsformen können die Druckplatten 207 eine konvexe Oberfläche aufweisen, die als Drehpunkt dient. Weiterhin können zwei oder mehr Drehpunkte in verschiedenen Höhen auf dem Zellenstapel 200 vorgesehen werden, um einer gebogenen Form der Blattfedern 206A-C zu entsprechen.
Die Blattfedern 206A-C können an Druckplatten 207 entweder auf der ersten Seite 212 oder auf der zweiten Seite 214 des Zellenstapels 200 in unterschiedlichen Höhen befestigt werden. Alternativ können die Blattfedern 206A-C sowohl an der ersten Seite 212 als auch an der zweiten Seite 214 des Zellenstapels 200 an verschiedenen Positionen befestigt werden. In einem Beispiel kann jede Blattfeder 206A-C, die in jedem Verstärkungsstab 208A-C eingeschlossen ist, an den Druckplatten 207 des Zellenstapels 200 in der oberen, mittleren und unteren Position angebracht werden; jede Blattfeder mit unterschiedlichen Drehpunktpositionen im Vergleich zueinander, beispielsweise mit den mittleren Drehpunkten näher an der Mitte 210 als den oberen/unteren Drehpunktpositionen relativ zur Mitte. In anderen Beispielen können die Blattfedern 206A-C in verschiedenen Formen und Größen vorgesehen werden. So kann beispielsweise eine erste Größe der Blattfeder in die obere und untere Position des Batteriezellenstapels 200 gesetzt werden, während eine zweite Größe der Blattfeder in die mittlere Position gesetzt werden kann. Die Drehpunktpositionen der oberen, mittleren und unteren Blattfedern können einstellbar sein, um unterschiedliche Stapelbelastungen aufzunehmen, während die Federauslenkungen bei zulässigen Grenzen gehalten werden. Auf diese Weise können die Blattfedern so ausgelegt sein, dass sie während des Betriebs der Flow-Batterie eine gleichmäßige Belastung über dem Batteriezellenstapel vorsehen. Einzelheiten zur Platzierung der Blattfedern und der Drehpunktpositionen werden weiter unten unter Bezugnahme auf 3 offenbart, die einen Querschnitt entlang einer Ebene 301 durch den Batteriezellenstapel darstellt.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Querschnittsansicht 300 entlang der Ebene 301 des Zellenstapels 200 der Flow-Batterie 10 dargestellt. Wie dargestellt können mehrere Blattfedern 206A-C an verschiedenen Positionen an der Druckplatte 207 angebracht und auf einer ersten oder zweiten Seite (z.B. erste Seite 212 oder zweite Seite 214 des in 2 dargestellten Zellenstapels 200) des Batteriezellenstapels befestigt werden. Alternativ können die Blattfedern 206A-C an der ersten Seite 212 und der zweiten Seite 214 des Zellenstapels an verschiedenen Positionen angebracht werden. Die obere Blattfeder 206A, die mittlere Blattfeder 206B und die untere Blattfeder 206C können jeweils in Verstärkungsstäben 208A-C gehalten und durch Anziehen von Muttern an den Zugstangenanordnungen 203 und 204 an der Druckplatte 207 montiert werden. Alternativ können die Blattfedern 206A-C an dem Zellenstapel mit speziell angefertigten Schrauben an der Druckplatte 207 befestigt werden. Die obere Blattfeder 206A weist zwei Drehpunkte 302 auf, die bei einem Abstand 308 angeordnet sind. Die mittleren Blattfedern 206B, jedes Blatt mit bei einem Abstand 312a angeordneten zwei Drehpunkten 304, können in Verstärkungsstäben 208B gehalten und an der Mitte des Zellenstapels 200 durch Anziehen von Muttern an den Zugstangenanordnungen der mittleren Blattfeder 206B montiert werden. Ebenso kann die untere Blattfeder 206C, mit einem bei einem Abstand 310 positionierten Paar Drehpunkte 3020, in dem Verstärkungsstab 208C gehalten und durch Anziehen von Muttern der Zugstangenanordnungen 203 und 204 an der unteren Blattfeder 206C am Boden des Zellenstapels montiert werden. Die Drehpunkte 304 der mittleren Blattfeder 206B können näher an der Mitte 210 platziert werden als Drehpunkte der oberen und unteren Blattfeder 206A bzw. 206C.
Die oberen, mittleren und unteren Blattfedern können basierend auf einem erwarteten Belastungsprofil des Zellenstapels dimensioniert werden. Die Art des Belastungsprofils und das Ausmaß der Auslenkung jeder Blattfeder kann von der Größenordnung der Druckbelastung, die an der Zugstangenanordnung angelegt wird, der Blattfedergeometrie (d.h. Form, Tiefe und Breite jedes Blatts) und den Drehpunktabständen entlang jeder Blattfeder 206A-C abhängen. In einem Beispiel können die obere Blattfeder 206A und die untere Blattfeder 206C so gewählt werden, dass sie ähnliche Druckbelastungen und Geometrien aufweisen, und die Drehpunkte in jeder Blattfeder können bei ähnlichen Abständen angeordnet werden. Aufgrund ähnlicher Druckbelastungen, Geometrien und Drehpunktpositionen können die resultierenden Belastungsprofile in der oberen und unteren Blattfeder ähnlich sein. Ebenso können Druckbelastungen, Größen der mittleren Blattfedern 206B und Drehpunktabstände jedes mittleren Blatts ähnlich gewählt werden, so dass identische Belastungsprofile entstehen. Alternativ können die obere Blattfeder 206A und die untere Blattfeder 206C so gewählt werden, dass sie unterschiedliche Druckkräfte, Blattfedergrößen aufweisen und die Drehpunkte in jedem Blatt können bei unterschiedlichen Abständen angeordnet sein. In diesem Fall kann sich ein Belastungsprofil in der oberen Blattfeder 206A von einem Belastungsprofil der unteren Blattfeder 206C unterscheiden. Ebenso können unterschiedliche Druckbelastungen, Blattfedergrößen und Drehpunktabstände an den mittleren Blattfedern 206B so gewählt werden, dass sie unterschiedliche Belastungsprofile an jeder Blattfeder erzeugen.
Durch die Auswahl verschiedener Blattfedergrößen für die obere, mittlere und untere Blattfeder und die Auswahl von Drehpunktpositionen (in jeder Blattfeder) basierend auf einem gewünschten Belastungsprofil kann die Auslenkung des Zellenstapels auf Schwellenwerte reduziert und gleichzeitig die Leistung der Flow-Batterie verbessert werden.
Unter Bezug auf 4A ist eine dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Zellenstapels 400 dargestellt, der als Stapel 18 der Flow-Batterie 10 verwendet werden kann. Der Zellenstapel 400 umfasst mehrere Reaktorzellen 402, die um ein Zellengehäuse 403 gewickelt sind, das durch Druckplatten 404 und Verstärkungsstäbe 408A-C (haltende Blattfedern 406A-C) zusammengehalten wird, die auf beiden Seiten des Zellengehäuses montiert und mit Schrauben 409 gesichert sind. Das Zellengehäuse 403 kann einen Querträger 405 mit einem erhabenen Abschnitt 407 beinhalten. Wenn sie um das Zellengehäuse 403 gewickelt sind, können die Reaktorzellen 402 in flächigem Kontakt mit dem erhabenen Abschnitt 407 des Querträgers 405 stehen und mehrere überlappende Säume 413 bilden. Mehrere Verriegelungsanordnungen 417 können ein Mittel zum Verschließen von Öffnungen (wie die in 2 dargestellten Öffnungen 216) in dem Zellenstapel 400 vorsehen. Jede Verriegelungsanordnung 417 umfasst eine Buchse 418, einen Bund 420 und eine Welle 422. Die Verriegelungsanordnungen 417 können beispielsweise an der oberen und unteren Position des Zellenstapels positioniert werden. Eine Platte 424 kann in einen Schlitz eingesetzt werden, der in der Druckplatte 404 ausgebildet ist, die auf einer ersten Seite 412 des Zellenstapels montiert ist. Der Batteriezellenstapel 400 kann auch eine verlängerte Komponente 427 und eine Seitenkomponente 428 beinhalten.
Wie in 4A dargestellt können die Reaktorzellen 402 in dem Batteriezellenstapel 400 mit mehreren Schrauben 409 zusammengehalten werden, die einstellbar sein können, um eine gleichmäßige Druckbelastung über den Zellenstapel anzulegen. Alternativ können die Reaktorzellen 402 in dem Batteriezellenstapel mit mehreren Zugstangen oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln zusammengehalten werden. Die Blattfedern 406A-C können in Verstärkungsstäben 408A-C jeweils mithilfe von Schrauben 409 befestigt werden, und jeder Verstärkungsstab 408A-C kann direkt oder indirekt an der Druckplatte 404 auf der ersten Seite 412 und einer zweiten Seite 414 des Batteriezellenstapels 400 angebracht werden, beispielsweise mit einem Presssitz, einem Befestigungsmittel, einer Schweißnaht, einem Klebstoff oder anderen Mitteln der mechanischen Montage. In einer bevorzugten Ausführungsform kann jede Druckplatte 404 mit einer Mutter, einer Unterlegscheibe und einer Schraubenanordnung sicher an Verstärkungsstäben 408A-C befestigt werden. In einem alternativen Beispiel kann jede Druckplatte 404 mit Nieten an Verstärkungsstäben 408A-C befestigt werden. In anderen Beispielen kann jede Druckplatte 404 an Verstärkungsstäbe 408A-C geschweißt werden. In weiteren Beispielen kann eine Presspassung genutzt werden, um jede Druckplatte 404 und die Verstärkungsstäbe 408A-C zusammenzuhalten. In weiteren Ausführungsformen kann jede Druckplatte 404 beispielsweise durch eine Druckkraft, die auf jede Blattfeder 406A-C ausgeübt wird, an Verstärkungsstäben 408A-C befestigt werden.
Jede Blattfeder 406A-C, die mit zwei Drehpunkten (nicht dargestellt) jeweils innen an dem Verstärkungsstab 408A-C in Kontakt gebracht wird, kann an einer Stangenposition 411 durch Anziehen einer Mutter 410 der Schraube 409 komprimiert werden, wobei ein glatter Abschnitt der Schraube entlang eines Umfangs des Zellenstapels zu Verstärkungsstäben 408A-C verläuft, die direkt oder indirekt mit der Druckplatte 404 auf der zweiten Seite 414 des Batteriezellenstapels gekoppelt sind. Alternativ kann jede Blattfeder 406A-C an der Stangenposition 411 durch Anziehen der in Verbindung mit der Schraube 409 verwendeten Mutter 410 komprimiert werden, wobei ein glatter Abschnitt der Schraube durch eine Öffnung 416 in dem Zellenstapel zu Verstärkungsstäben 408A-C tritt, die direkt oder indirekt mit der Druckplatte 404 auf der zweiten Seite 414 des Batteriezellenstapels gekoppelt sind. Mehrere Muttern (nicht dargestellt) können an den Schrauben 409 auf der zweiten Seite 414 angezogen werden, wodurch zusätzliche Druckkraft auf den Zellenstapel ausgeübt wird.
Unter Bezugnahme auf 4B ist eine Draufsicht 401 auf die zweite Ausführungsform des Zellenstapels 400 dargestellt. Wie in 4B dargestellt kann die obere Blattfeder 406A an der Stangenposition durch Anziehen der Mutter 410 an jeder Schraube 409 komprimiert werden, wobei sich der glatte Abschnitt der Schraube über die Länge des Zellengehäuses 403 bis zum Verstärkungsstab 408B erstreckt, der direkt oder indirekt mit der Druckplatte 404 auf der zweiten Seite 414 des Batteriezellenstapels gekoppelt ist. Die mittlere Blattfeder 406B kann an der Stangenposition durch Anziehen der Mutter 410 an jeder Schraube 409 zusammengedrückt werden, wobei der glatte Abschnitt der Schraube eine Öffnung (wie die in 4A gezeigte Öffnung 416) in dem Zellenstapel zu dem Verstärkungsstab 408 auf der zweiten Seite 414 des Batteriezellenstapels passiert. Die Muttern 432 an jeder Zugstangenanordnung auf der zweiten Seite 414 des Batteriezellenstapels 400 können angezogen werden, um den Zellenstapel ausreichend zu sichern.
Zurück zu 4A kann die auf die Blattfedern 4A-C ausgeübte Druckkraft an den Drehpunkten zu einem aktiven Bereich des Zellenstapels umgelenkt werden, um die Auslenkung der Druckplatten 406 zu reduzieren. Die Drehpunktpositionen entlang jeder Blattfeder 406A-C können durch Iteration basierend auf einem gewünschten Zellenstapelbelastungsprofil und anderen strukturellen Überlegungen ausgewählt werden. Zum Beispiel können die Drehpunkte zylindrisch, halbzylindrisch oder zu einer durch Iteration bestimmten Endform geformt sein. In einem Beispiel kann die Endform des Drehpunktes die auf die Blattfedern 406A-C ausgeübte Last über Druckplatten 404 verteilen, wodurch ein gewünschtes Belastungsprofil vorgesehen wird. Die Drehpunkte können an jedem Verstärkungsstab 408A-C angebracht oder direkt auf den Druckplatten 404 platziert werden. In einem weiteren Beispiel können die Drehpunkte in die Druckplatten 404 oder die Verstärkungsstäbe 408A-C geformt werden. In anderen Beispielen können die Blattfedern 406A-C so geformt werden, dass sie eine Drehpunktfläche in Form einer vorgebogenen Feder vorsehen. Die Verstärkungsstäbe 408A-C können U-Kanäle oder Rohre sein, die an den Druckplatten 404 eingeschlossen oder umspritzt sind. In alternativen Ausführungsformen können die Blattfedern 406A-C direkt an den Druckplatten 404 angebracht werden, ohne die Verstärkungsstäbe 408A-C zu verwenden. In weiteren Ausführungsformen können die Druckplatten 404 eine konvexe Oberfläche aufweisen, die als Drehpunkt dient. Weiterhin können zwei oder mehr Drehpunkte in verschiedenen Höhen auf dem Zellenstapel 400 vorgesehen werden, um einer gebogenen Form der Blattfedern 406A-C zu entsprechen. Die Blattfedern 406A-C können an Druckplatten 404 auf der ersten Seite 412 und auf der zweiten Seite 414 des Zellenstapels 400 in unterschiedlichen Höhen befestigt werden. Alternativ können die Blattfedern 406A-C entweder an der ersten Seite 412 oder an der zweiten Seite 414 des Zellenstapels 400 an verschiedenen Positionen befestigt werden. In einem Beispiel kann jede Blattfeder 406A-C, die in jedem Verstärkungsstab 408A-C eingeschlossen ist, an den Druckplatten 404 an jeder Seite des Zellenstapels 400 an der oberen, mittleren und unteren Position befestigt werden; jede Blattfeder mit unterschiedlichen Drehpunktpositionen im Vergleich zueinander, beispielsweise mit den mittleren Drehpunkten näher an der Mitte 426 als den oberen/unteren Drehpunktpositionen relativ zur Mitte. In anderen Beispielen können die Blattfedern 406A-C in verschiedenen Formen und Größen vorgesehen werden. So kann beispielsweise eine erste Größe der Blattfeder an der oberen und unteren Position des Zellenstapels 400 platziert werden, während eine zweite Größe der Blattfeder an der mittleren Position platziert werden kann. Die Drehpunktpositionen der oberen, mittleren und unteren Blattfedern können einstellbar sein, um unterschiedliche Stapelbelastungen aufzunehmen, während die Federauslenkungen bei zulässigen Grenzen gehalten werden. Auf diese Weise können die Blattfedern so ausgelegt sein, dass sie während des Betriebs der Flow-Batterie eine gleichmäßige Belastung über dem Batteriezellenstapel 400 vorsehen. Einzelheiten zur Platzierung der Blattfedern und der Drehpunktpositionen werden weiter unten unter Bezugnahme auf 5 offenbart, die eine Querschnittsansicht des Zellenstapels entlang der Ebene 430 darstellt.
Unter Bezugnahme auf 5 ist eine Querschnittsansicht 500 entlang der Ebene 430 des Zellenstapels 400 der Flow-Batterie 10 dargestellt. Wie dargestellt können mehrere Blattfedern 406A-C an verschiedenen Positionen an der Druckplatte 404 angebracht und auf einer ersten und zweiten Seite (z.B. erste Seite 412 und zweite Seite 414 des in 4A dargestellten Zellenstapels 400) des Batteriezellenstapels befestigt werden. Alternativ können die Blattfedern 406A-C entweder an der ersten Seite oder der zweiten Seite des Zellenstapels an verschiedenen Positionen angebracht werden. Die obere Blattfeder 406A, die mittlere Blattfeder 406B und die untere Blattfeder 406C können jeweils in Verstärkungsstäben 408A-C gehalten und durch Anziehen von Muttern an Schrauben 409 an der Druckplatte 404 montiert werden. Alternativ können die Blattfedern 406A-C an dem Zellenstapel mit Zugstangen an der Druckplatte 404 befestigt werden, wie beispielsweise die in 2 dargestellten Zugstangenanordnungen 203 und 204. Jede Blattfeder 406A-C kann mehrere Schlitze 510 zur Aufnahme zusätzlicher Schrauben oder anderer geeigneter Befestigungselemente beinhalten.
Wie in 5 dargestellt weist die obere Blattfeder 406A ein Paar Drehpunkte 504 auf, die bei einem Abstand 512 von Schrauben an der Blattfeder angeordnet sind. Die mittleren Blattfedern 406B, wobei jedes Blatt mit einem Paar Drehpunkten 506 bei einem Abstand 514 zu Schrauben 409 auf der mittleren Blattfeder angeordnet ist, können in Verstärkungsstäben 408B gehalten und in der Mitte des Zellenstapels 400 durch Anziehen von Muttern an den Schrauben 409 montiert werden. Ebenso kann die untere Blattfeder 406C, wobei zwei Drehpunkten 508 bei einem Abstand 516 zu Schrauben 409 auf der unteren Blattfeder 406C positioniert sind, in einem Verstärkungsstab 408C gehalten und durch Anziehen von Muttern an den Schrauben 409 am Boden des Zellenstapels montiert werden. Die Drehpunkte 506 in der mittleren Blattfeder 406B können näher an der Mitte 426 platziert werden als Drehpunkte der oberen und unteren Blattfeder 406A bzw. 406C.
Die oberen, mittleren und unteren Blattfedern können basierend auf einem erwarteten Belastungsprofil des Zellenstapels dimensioniert werden. Die Art des Belastungsprofils und das Ausmaß der Auslenkung jeder Blattfeder kann von der Größenordnung der Druckbelastung, die an der Schrauben- und Mutteranordnung angelegt wird, der Blattfedergeometrie (d.h. Form, Breite und Dicke jedes Blatts) und den Drehpunktabständen entlang jeder Blattfeder abhängen. In einem Beispiel können die obere und untere Blattfeder so gewählt werden, dass sie ähnliche Druckbelastungen und Geometrien aufweisen, und die Drehpunkte in jeder Blattfeder können bei ähnlichen Abständen angeordnet werden. Aufgrund ähnlicher Druckbelastungen, Geometrien und Drehpunktpositionen können die resultierenden Belastungsprofile in der oberen und unteren Blattfeder ähnlich sein. Ebenso können Druckbelastungen, Größen der mittleren Blattfedern 406B und Drehpunktabstände 514 jedes mittleren Blatts ähnlich gewählt werden und identische Belastungsprofile erzeugen. Alternativ können die obere und untere Blattfeder so gewählt werden, dass sie unterschiedliche Druckbelastungen, Blattfedergrößen aufweisen und die Drehpunkte in jedem Blatt können bei unterschiedlichen Abständen angeordnet sein. In diesem Fall kann sich ein Belastungsprofil in der oberen Blattfeder 406A von einem Belastungsprofil der unteren Blattfeder 406C unterscheiden. Ebenso können unterschiedliche Druckbelastungen, Blattfedergrößen und Drehpunktabstände der mittleren Blattfedern 406B so gewählt werden, dass sie unterschiedliche Belastungsprofile an jeder mittleren Blattfeder erzeugen.
Durch die Auswahl verschiedener Blattfedergrößen für die obere, mittlere und untere Blattfeder und die Auswahl von Drehpunktpositionen (in jeder Blattfeder) basierend auf einem gewünschten Belastungsprofil kann die Auslenkung des Zellenstapels auf Schwellenwerte reduziert und gleichzeitig die Leistung der Flow-Batterie verbessert werden.
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine Explosionsansicht 600 der zweiten Ausführungsform des Batteriezellenstapels 400 dargestellt. Der Batteriezellenstapel 400 ist mit den verschiedenen Komponenten des Zellenstapels in einer nicht zusammengebauten Position dargestellt. Die Reaktorzellen 402 können wie in 6 dargestellt um das Zellengehäuse 403 gewickelt sein.
Der Zellenstapel kann durch Montieren von Druckplatten 404 auf einer stromaufwärts befindlichen Fläche und stromabwärts befindlichen Fläche des Zellengehäuses 403 zusammengebaut werden. Die stromaufwärts befindliche Fläche des Zellengehäuses kann sich beispielsweise auf der ersten Seite 412 des Zellenstapels und die stromabwärts befindliche Fläche auf der zweiten Seite 414 des Zellenstapels befinden. Bei der Montage am Zellengehäuse 403 kann ein großer Teil einer Innenfläche 604 der Druckplatten 404 in flächigem Kontakt mit den stromauf- und stromabwärts befindlichen Flächen des Zellengehäuses 403 stehen. So können beispielsweise die Druckplatten 404 durch eine von den Platten ausgeübte Druckkraft an dem Zellengehäuse 403 befestigt werden. In weiteren Beispielen können die Druckplatten 404 an das Zellengehäuse 403 geklebt, geschweißt oder genietet werden. Als Nächstes können die Verstärkungsstäbe 408A-C an einer Außenfläche 606 der Druckplatten 404 auf der ersten Seite 412 und der zweiten Seite 414 des Zellenstapels montiert werden. Zum Beispiel können Verstärkungsstäbe 408A-C an einer ersten, einer zweiten und einer dritten Stelle auf der ersten und zweiten Seite des Zellenstapels 400 positioniert werden. In diesem Fall kann eine Innenfläche 608 jedes Verstärkungsstabes 408A-C in flächigem Kontakt mit der Außenfläche 606 der Druckplatten 404 stehen. In einem Beispiel kann der Verstärkungsstab 408A an der ersten Stelle, der Verstärkungsstab 408B an der zweiten Stelle und der Verstärkungsstab 408C an der dritten Stelle auf der ersten Seite 412 und der zweiten Seite 414 des Zellenstapels 400 positioniert werden. Die Verstärkungsstäbe 408A-C können an den Druckplatten 404 mit einer Druckkraft zwischen dem Stab und der Druckplatte oder mit anderen geeigneten Mitteln wie Klebstoff, Schweißen, Nieten, etc. befestigt werden. Die Blattfedern 406A-C können in Verstärkungsstäben 408A-C auf der ersten bzw. zweiten Seite des Zellenstapels montiert werden. So kann beispielsweise jede Blattfeder 406A-C in jedem Verstärkungsstab 408A-C auf der ersten und zweiten Seite des Zellenstapels montiert werden, wobei jede Blattfeder 406A-C mit einer Außenfläche 610 jedes Verstärkungsstabes 408A-C Flächenkontakt herstellt. In einem Beispiel kann jede Blattfeder 406A-C in flächigem Kontakt mit jedem Paar Drehpunkte 504-508 stehen, wenn sie in der Außenfläche 610 jedes Verstärkungsstabes 408A-C montiert ist. Bei der Montage in den Verstärkungsstäben 408A-C können Schlitze 612 an jeder Blattfeder 406A-C mit Schlitzen 614 (an jedem Verstärkungsstab 408A-C) und Schlitzen 620 an den Druckplatten 404 entlang der Ausrichtungsachse 618 ausgerichtet werden.
Als Nächsten können Schrauben 409 durch eine Unterlegscheibe 622 geführt und durch Schlitze 612 an jeder Blattfeder 406A-C und durch die Schlitze 609 an jedem Verstärkungsstab 408A-C auf der zweiten Seite 414 des Zellenstapels durchgeführt werden. In diesem Fall kann die Unterlegscheibe 622 an jeder Schraube 409 in flächigem Kontakt mit einer ersten Fläche 623 jeder Blattfeder 406A-C stehen. Die Schrauben 409 können weiter entlang des Zellenstapels zu Schlitzen 620 auf der Druckplatte 404 auf der ersten Seite 412 des Zellenstapels geführt werden. In alternativen Beispielen können die Schrauben 409 weiter (durch Öffnungen 416 auf dem Zellenstapel) bis zur ersten Seite 412 des Zellenstapels geführt werden. Anschließend können die Schrauben 409 durch Schlitze 614 der Verstärkungsstäbe 408A-C auf der ersten Seite 412 des Zellenstapels 400 entlang der Ausrichtungsachse 618 geführt werden. Die Schrauben 409 können weiter durch jede Blattfeder 406A-C, die in jedem Verstärkungsstab 408A-C auf der ersten Seite 412 des Zellenstapels 400 montiert ist, geführt werden. Bei weiterem Führen kann ein distales Ende 626 jeder Schraube 409 aus einer zweiten Fläche 624 jeder Blattfeder 406A-C auf der ersten Seite 412 des Zellenstapels herausragen. Anschließend können eine Unterlegscheibe 622 und eine Mutter 410 an dem distalen Ende 626 jeder Schraube 409 befestigt werden, die durch jede Blattfeder 406A-C an der ersten Seite 412 des Zellenstapels geführt ist. Zum Beispiel kann die Unterlegscheibe 622 in flächigem Kontakt mit der zweiten Fläche 624 jeder Blattfeder 406A-C stehen, wenn die Unterlegscheibe 622 und die Mutter 410 an dem distalen Ende 626 jeder Schraube 409 befestigt sind. Auf diese Weise kann der Zellenstapel sicher zusammengehalten werden, um eine Auslenkung der Druckplatten 404 innerhalb zulässiger Schwellenwerte zu halten.
Als Nächstes kann die Welle 422 jeder Verriegelungsanordnung 417 in jede Öffnung 216 auf der stromaufwärts befindlichen Fläche des Zellengehäuses 403 eingesetzt werden. Anschließend kann jede Buchse 418, die am Bund 420 jeder Verriegelungsanordnung 417 befestigt ist, mit der Welle 422 gekoppelt werden, die in jede Öffnung 216 auf der stromaufwärts befindlichen Fläche des Zellengehäuses 403 eingesetzt ist. Zum Beispiel kann ein erstes Paar der Verriegelungsanordnungen 417 an einer ersten Stelle am Zellengehäuse 403 und ein zweites Paar der Verriegelungsanordnungen 417 an einer zweiten Stelle am Zellengehäuse positioniert werden. Auf diese Weise kann jeder Satz von Verriegelungsanordnungen verwendet werden, um jedes Paar von Öffnungen 216 im Zellengehäuse 403 des Zellenstapels zu verschließen oder zu blockieren. Mehrere Stopfen 628 können durch Durchbrüche (siehe 9, Durchbruch 900) auf der stromabwärts befindlichen Fläche des Zellengehäuses 403 eingeführt werden, um die Durchbrüche am Zellengehäuse zu verschließen oder zu blockieren.
Unter Bezugnahme auf 7 ist eine beispielhafte Blattfeder 700 der Batteriezellenstapel 200 und 400, die unterschiedlichen Belastungen unterworfen sind, dargestellt. Die Belastung der beispielhaften Blattfeder 702 kann ein Belastungsverhalten darstellen, das an einer oberen, mittleren und unteren Blattfeder (z.B. Blattfedern 206A-C, dargestellt in 2-3, oder Blattfedern 406A-C, dargestellt in 4A-5) beobachtet wird, die mit Zugstangenanordnungen (z.B. Zugstangen 203 und 204, dargestellt in 2-3) am Zellenstapel befestigt sind. Jede Blattfeder kann in einem Verstärkungsstab gehalten werden, der an einer Druckplatte (z.B. der in 2 gezeigten Druckplatte 207) befestigt werden kann, die auf dem Batteriezellenstapel montiert ist.
Wie in 7 dargestellt kann die Blattfeder 702 an den Rändern mit Lasten 704 und 706 druckbelastet werden. Zum Beispiel können die Lasten 704 und 706, die auf die Blattfeder 702 wirken, gleich sein. In einem anderen Beispiel können die Lasten 704 und 706, die auf die Blattfeder 702 wirken, ungleich sein. Ein Paar Drehpunkte 708 und 710 können unter der Blattfeder 702 bei Drehpunktabständen 712 und 714 platziert werden, um die von den Lasten 704 und 706 ausgeübte Druckkraft entlang eines Abschnitts der Blattfeder, der in Kontakt mit der Druckplatte steht, umzuleiten, die einen aktiven Bereich des Batteriezellenstapels zusammendrückt. In einem Beispiel können die Drehpunktabstände 712 und 714 entlang der Blattfeder 702 gleich sein, wodurch ein erstes Belastungsprofil erzeugt wird. In alternativen Beispielen können die Drehpunktabstände 712 und 714 entlang der Blattfeder ungleich sein, wodurch ein zweites Belastungsprofil erzeugt wird, das sich vom ersten Belastungsprofil unterscheidet.
Eine Schnittansicht entlang der Ebene 716 durch die Blattfeder 702 zeigt die Abmessungen der Blattfeder. Die Breite und Tiefe der Blattfeder 702 können als b bzw. d, dargestellt werden. Die Belastung der Blattfeder 702 wird durch eine neutrale Achse der Blattfeder geleitet, die sich bei einem Abstand y_na von der Basis des Blatts befindet. Unter der ausgeübten Belastung kann sich die Blattfeder 702 biegen, um eine Auslenkung zu erzeugen y . Die resultierende Auslenkung kann basierend auf der klassischen Balkentheorie aus den nachstehenden Gleichungen bestimmt werden. $σ = \frac{- w a}{z}$
$z = \frac{I}{y_{n a}}$
$I = \frac{b d^{3}}{12}$
$y = \frac{w a}{6 E I} [3 a (I - a) - x^{2}]$
Die auf die Blattfeder 702 ausgeübte Spannung kann dargestellt werden als σ, w ist eine auf die Blattfeder ausgeübte Last, a ist ein Drehpunktabstand, z ist ein vertikaler Abstand entlang der Blattfeder, x ist ein horizontaler Abstand entlang der Blattfeder, wo die Auslenkung berechnet wird, l ist eine Blattfederlänge, I ist das Trägheitsmoment der Blattfeder und E ist der Elastizitätsmodul eines Materials, aus dem die Blattfeder besteht.

Eine Zusammenfassung von Auslegungsvariablen und strukturellen Eigenschaften einer beispielhaften Blattfeder, die an der Oberseite, der Mitte und der Unterseite eines Batteriezellenstapels angeordnet ist, ist in Tabelle 1 dargestellt. Die beispielhaften Blattfedern können aus kaltgezogenem Stahl 4142 mit Streckgrenze (σ_y), maximaler Spannung (σ_m), Elastizitätsmodul (E) hergestellt werden und jede Blattfeder weist einen Sicherheitsfaktor (SF) auf, wie in Tabelle 1 dargestellt ist. Der Sicherheitsfaktor jeder Blattfeder wird als Verhältnis der Streckgrenze zur maximalen Spannung berechnet. In diesem Beispiel bestehen die im Zellenstapel verwendeten Blattfedern aus kaltgezogenem Stahl. In anderen Beispielen können die Blattfedern aus anderen geeigneten Materialien wie Gusseisen, legiertem Stahl, Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminium, Aluminiumlegierung, duroplastischem Polymer, thermoplastischem Polymer und faserverstärktem Polymer (FRP) bestehen. In alternativen Beispielen können die Blattfedern aus Monel, Inconel, Beryllium-Kupferlegierung, Phosphorbronze usw. bestehen. Tabelle. 1. Eine Zusammenfassung der Auslegungsvariablen und strukturellen Eigenschaften von beispielhaften Blattfedern, die oben, in der Mitte und unten auf einem Batteriezellenstapel platziert sind.

Variable	Wert	Einheit
a	45 (obere/untere Blattfeder)	mm
	90 (mittlere Blattfeder)
w	1,88 (obere/untere Blattfeder)	KN
	3,75 (mittlere Blattfeder)
l	360 (obere/untere Blattfeder)	mm
	400 (mittlere Blattfeder)
b	19,05 (obere/untere Blattfeder)	mm
	38,10 (mittlere Blattfeder)
d	9,53 (obere/untere Blattfeder)	mm
	12,7 (mittlere Blattfeder)
y_na	4,76 (obere/untere Blattfeder)	mm
	6,35 (mittlere Blattfeder)
σ_y	690	MPa
σ_m	293 (obere/untere Blattfeder)	MPa
	303 (mittlere Blattfeder)
E	20500	MPa
SF	2,4 (obere/untere Blattfeder)	maßfrei
	2,1 (mittlere Blattfeder)

Unter Bezugnahme auf 8 wird eine beispielhafte grafische Ausgabe 800, wie z.B. Blattfedern, die in der oberen, mittleren und unteren Position eines Batteriezellenstapels einer Flow-Batterie angeordnet sind, dargestellt. Der erste Graph stellt eine Auslenkung 802 an der Blattfeder dar, die oben und unten am Batteriezellenstapel positioniert ist (wie beispielsweise die in 3 dargestellten Blattfedern 206A und 206C). Der zweite Graph stellt die Auslenkung 804 der Blattfeder dar, die in der Mitte des Batteriezellenstapels angeordnet ist (z.B. Blattfeder 206B, dargestellt in 3). Die Auslenkung der oberen, mittleren und unteren Blattfedern nimmt in Richtung der vertikalen Achse zu. Bei beiden Graphen stellt die horizontale Achse einen Abstand entlang der Blattfedern dar, bei dem ein Auslenkungswert berechnet wird. Der Abstand entlang jeder Blattfeder nimmt von der linken Seite jeder Figur zur rechten Seite jeder Figur zu.
Unter Verweis auf den erste Graph ist die Auslenkung (802) in der oberen und unteren Blattfeder nichtlinear variierend gezeigt. Eine große negative Auslenkung, die am linken Rand der Blattfeder beobachtet wird, fällt mit einer Position einer ersten Zugstangenanordnung an Punkt A zusammen. Durch Anziehen einer Mutter auf der Zugstangenanordnung kann eine Druckbelastung auf die Blattfeder ausgeübt werden, die dazu führt, dass das Blatt nach innen auslenkt. Die Auslenkung kann mit zunehmendem Abstand entlang jedes Blatts abnehmen und erreicht einen Wendepunkt an der Stelle B, wo die Auslenkung von negativ zu positiv wechselt. Die Mindestauslenkung der Blattfeder erfolgt in einer ersten Drehpunktposition am Punkt B (z.B. der in 7 gezeigte Ort der Drehpunktbelastung 708). Der Drehpunkt ist so konzipiert, dass er die Druckbelastung zu einem aktiven Bereich des Zellenstapels umlenkt und gleichzeitig die Auslenkung des Blatts in zulässigen Grenzen hält. Nach dem Wechsel durch den Drehpunktort nimmt die Auslenkung entlang des Blatts in positiver Richtung zu und erreicht bei Punkt C eine maximale Auslenkung. Die maximale Auslenkung erfolgt in der Mitte (bei Punkt C) der Blattfeder. Über den Punkt C hinaus kann die Auslenkung allmählich abnehmen und bei einer zweiten Drehpunktposition (wie beispielsweise der in 7 dargestellte Ort der Drehpunktbelastung 710) einen weiteren Minimapunkt (nicht dargestellt) erreichen, wo die Auslenkung von positiv zu negativ wechseln kann. Nach dem Wechsel durch die zweite Drehpunktposition kann die Auslenkung in negativer Richtung zunehmen, wobei sie am rechten Ende der Blattfeder, wo sich eine zweite Zugstangenanordnung befindet, einen großen negativen Auslenkungswert erreicht.
Unter Heranziehen des zweiten Graphen ist die Auslenkung (804) in einer mittleren Blattfeder nichtlinear variierend gezeigt. Am linken Rand der Blattfeder ist eine große negative Auslenkung zu beobachten. Die große negative Auslenkung fällt mit einem Ort einer ersten Zugstangenanordnung an Punkt D zusammen. Eine Druckbelastung, die von der Zugstangenanordnung an Punkt D vorgesehen wird, bewirkt, dass das Blatt nach innen ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann entlang des Blatts abnehmen und eine Wendeposition an Punkt E erreichen. Eine minimale Auslenkung entlang der Blattfeder tritt an Punkt E auf, einem Ort eines ersten Drehpunktes (wie der in 7 gezeigte Ort der Drehpunktbelastung 708). Auch hier kann der Drehpunkt so ausgelegt sein, dass die Druckbelastung zu einem aktiven Bereich des Zellenstapels umgeleitet wird, während die Auslenkung der Blattfeder bei zulässigen Werten gehalten wird. Bei Punkt E wechselt die Auslenkung von negativ zu positiv und nimmt in positiver Richtung zu, wobei sie eine maximale Auslenkung bei Punkt F erreicht. Die maximale positive Auslenkung der Blattfeder erfolgt in der Mitte entlang der Blattfeder bei Punkt F. Über den Punkt F hinaus kann die Auslenkung allmählich abnehmen und bei einer zweiten Drehpunktposition (wie beispielsweise der in 7 dargestellte Ort der Drehpunktbelastung 710) einen weiteren Minimapunkt (nicht dargestellt) erreichen, wo die Auslenkung von positiv zu negativ wechseln kann. Nach dem Wechsel durch die zweite Drehpunktposition kann die Auslenkung in negativer Richtung zunehmen und am rechten Ende der Blattfeder, wo sich eine zweite Zugstangenanordnung befinden kann, einen großen negativen Auslenkungswert erreichen.
Wie in 8 dargestellt kann das Belastungsprofil der Blattfedern, die oben und unten an dem Zellenstapel angeordnet sind, von dem Belastungsprofil einer Blattfeder abweichen, die in der Mitte des Zellenstapels angebracht ist. Die Unterschiede in den Belastungsprofilen der oben diskutierten beispielhaften Blattfedern können auf Unterschiede in der Druckbelastung (an der Zugstangenanordnung angelegt), der Blattfedergeometrie (Länge, Breite und Dicke) und den Drehpunktorten entlang jedes Blattes zurückgeführt werden. Betrachtet werden die vorstehend diskutierten beispielhaften Blattfedern, die oben, in der Mitte und unten auf dem Zellenstapel platziert sind. Die maximale positive Auslenkung (802) der oberen und unteren Blattfeder ist nachweislich größer als die maximale positive Auslenkung (804) in der mittleren Blattfeder des Zellenstapels. Da die mittlere Blattfeder breiter und dicker ist als die obere und untere Blattfeder, ist die mittlere Blattfeder in der Lage, einer größeren Druckbelastung bei minimaler Auslenkung standzuhalten. Weiterhin wirkt sich der Ort der Drehpunkte entlang jeder Blattfeder auf das Belastungsprofil aus, wie durch das Auslenkungsprofil 802 der oberen und unteren Blattfedern und das Auslenkungsprofil 804 der mittleren Blattfeder gezeigt wird.
Durch die Wahl verschiedener Größen von Blattfedern für die obere, mittlere und untere Blattfeder und die Wahl geeigneter Drehpunktpositionen entlang jeder Blattfeder kann das Zellenstapel-Kompressionssystem eine ungleichmäßige Belastung des Zellenstapels reduzieren, während gleichzeitig Auslenkungen im Zellenstapel bei Schwellenwerten gehalten und die Leistung der Flow-Batterie verbessert werden.
In einem Beispiel ein Zellenstapel, welcher umfasst: mehrere Zellen, die zusammengestapelt sind, um eine Flow-Batterie zu bilden; und ein Kompressionssystem, umfassend mindestens zwei Zugstangen, die sich durch die mehreren Zellen erstrecken, die eine Feder einklemmen, die an gegenüberliegenden Enden wirkt, um die Zellen zusammenzudrücken, wobei die Feder mindestens zwei Drehpunktelemente berührt, die zwischen den Zugstangen positioniert sind. In dem vorhergehenden Beispiel sind die Drehpunkte beim Lösen des Drucks zusätzlich oder optional beweglich. In einem oder allen der vorstehenden Beispiele ist die Feder zusätzlich oder optional eine Blattfeder, welche ein oder mehrere Blattfederelemente umfasst. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet das Blattfederelement zusätzlich oder optional einen planaren rechteckigen Balken mit einer Länge länger als eine Breite länger als eine Dicke. In einem oder allen der vorstehenden Beispiele sind die Zugstangen zusätzlich oder optional mit einem Gewinde versehen und werden durch Drehung um ihre mittlere Längsachse angezogen.
In den vorhergehenden Beispielen wird zusätzlich oder optional nur ein Paar Drehpunkte mit nur einem Paar Zugstangen gepaart, wobei mehrere der Paare von Stangen und Drehpunkten den Stapel zusammendrücken. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele sind die Drehpunkte zusätzlich oder optional zwischen einer Außenwand, die durch eine oder mehrere der mehreren Zellen gebildet wird, und einer Innenwand der Feder positioniert. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele werden zusätzlich oder optional die Drehpunkte ausgewählt, um die durch die Feder erzeugte Last gleichmäßiger über den Stapel in Richtung einer Längsrichtung der Feder zu verteilen, als wenn keine Drehpunkte vorgesehen wären. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele ist zusätzlich oder optional jede Zelle von rechteckiger Form und mit einer kürzesten Kante gestapelt, die eine Dicke aufweist und mit anderen Kanten anderer Zellen ausgerichtet ist, um eine Wand des Stapels zu bilden, wobei sich die Zugstangen durch die Zellen in Richtung der Dicke erstrecken. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele drücken zusätzlich oder optional mehrere Einzelfedern und Paare von Zugstangen und Drehpunkten den Zellenstapel zusammen, wobei die Federn planar sind und alle in einer gemeinsamen Ebene liegen und die Zugstangen alle parallel zueinander ausgerichtet sind.
Zu beachten ist, dass die hierin enthaltenen beispielhaften Verfahren und Systeme mit verschiedenen Konfigurationen von Flow-Batteriesystemen verwendet werden können. Die hierin beschriebenen bestimmten Routinen können ein oder mehrere einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien wie ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen darstellen. Somit können verschiedene gezeigte Schritte, Operationen und/oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen übergangen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile der beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, wird aber für einfache Darstellung und Beschreibung vorgesehen. Abhängig von der verwendeten bestimmten Strategie können ein oder mehrere der gezeigten Schritte, Operationen und/oder Funktionen wiederholt durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinne gesehen werden sollen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind. Die vorstehende Technologie kann beispielsweise auf eine Redox-Flow-Batterie, ein Hybrid-Flow-Batteriesystem und andere Flow-Batterietypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Auslegungen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart werden.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder dessen Entsprechung hinweisen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Enthalten eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei zwei oder mehr dieser Elemente weder gefordert noch ausgeschlossen werden. Es können andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, seien sie nun breiter, enger, gleich oder von anderem Schutzumfang als die ursprünglichen Ansprüche gefasst, werden ebenfalls im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62458446 [0001]
US 6413665 [0005]

Claims

Zellenstapel, umfassend: mehrere Zellen, die zusammengestapelt sind, um eine Flow-Batterie zu bilden; und ein Kompressionssystem, umfassend mindestens zwei Zugstangen, die sich durch die mehreren Zellen erstrecken, die eine Feder einklemmen, die an gegenüberliegenden Enden wirkt, um die Zellen zusammenzudrücken, wobei die Feder mindestens zwei Drehpunktelemente berührt, die zwischen den Zugstangen positioniert sind.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Drehpunkte beweglich sind, wenn der Druck gelöst wird.
Stapel nach Anspruch 2, wobei die Feder eine Blattfeder ist, die ein oder mehr Blattfederelemente umfasst.
Stapel nach Anspruch 3, wobei das Blattfederelement einen planaren rechteckigen Balken mit einer Länge länger als eine Breite länger als eine Dicke umfasst.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Zugstangen mit Gewinde versehen sind und mittels Drehung um ihre mittlere Längsachse angezogen werden.
Stapel nach Anspruch 1, wobei nur ein Paar Drehpunkte mit nur einem Paar Zugstangen gepaart sind, wobei mehrere der Paare von Stangen und Drehpunkten den Stapel zusammendrücken.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Drehpunkte zwischen einer Außenwand, die durch eine oder mehr der mehreren Zellen gebildet ist, und einer Innenwand der Feder positioniert sind.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Drehpunkte ausgewählt sind, um durch die Feder erzeugte Last gleichmäßiger über den Stapel in Richtung einer Längsrichtung der Feder zu verteilen, als wenn keine Drehpunkte vorgesehen wären.
Stapel nach Anspruch 1, wobei jede Zelle von rechteckiger Form ist und mit einer kürzesten Kante gestapelt ist, die eine Dicke aufweist und mit anderen Kanten anderer Zellen ausgerichtet ist, um eine Wand des Stapels zu bilden, wobei sich die Zugstangen durch die Zellen in Richtung der Dicke erstrecken.
Stapel nach Anspruch 1, wobei mehrere Einzelfedern und Paare von Zugstangen und Drehpunkten den Zellenstapel zusammendrücken, wobei die Federn planar sind und alle in einer gemeinsamen Ebene liegen und die Zugstangen alle parallel zueinander ausgerichtet sind.
System, umfassend: eine Flow-Batterie mit mehreren Zellen in einem Zellengehäuse, die zusammengestapelt sind, und mehreren Zugstangen, die sich durch die mehreren Zellen parallel zueinander erstrecken und eine Feder einklemmen, die an einem Ende wirkt, um die Zellen zusammenzudrücken, wobei die Feder mindestens zwei Drehpunktelemente berührt, die zwischen den Zugstangen positioniert sind.
System nach Anspruch 11, wobei die Flow-Batterie weiterhin Stopfen umfasst, die durch Durchbrüche an einer stromabwärts befindlichen Fläche des Zellengehäuses eingeführt sind, um die Durchbrüche an dem Zellengehäuse zu blockieren.
System nach Anspruch 11, wobei die Drehpunkte beweglich sind, wenn der Druck gelöst wird, und wobei die Feder eine Blattfeder ist, die ein oder mehr Blattfederelemente umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei das Blattfederelement einen planaren rechteckigen Balken mit einer Länge länger als eine Breite länger als eine Dicke umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei die Zugstangen mit Gewinde versehen sind und mittels Drehung um ihre mittlere Längsachse angezogen werden.
System nach Anspruch 15, wobei nur ein Paar Drehpunkte mit nur einem Paar Zugstangen gepaart sind, wobei mehrere der Paare von Stangen und Drehpunkten den Stapel zusammendrücken.
System nach Anspruch 16, wobei die Drehpunkte zwischen einer Außenwand, die durch eine oder mehr der mehreren Zellen gebildet ist, und einer Innenwand der Feder positioniert sind.
System nach Anspruch 17, wobei jede Zelle von rechteckiger Form ist und mit einer kürzesten Kante gestapelt ist, die eine Dicke aufweist und mit anderen Kanten anderer Zellen ausgerichtet ist, um eine Wand des Stapels zu bilden, wobei sich die Zugstangen durch die Zellen in Richtung der Dicke erstrecken.
System nach Anspruch 18, wobei mehrere Einzelfedern und Paare von Zugstangen und Drehpunkten den Zellenstapel zusammendrücken, wobei die Federn planar sind und alle in einer gemeinsamen Ebene liegen und die Zugstangen alle parallel zueinander ausgerichtet sind.
System, umfassend: eine Flow-Batterie mit mehreren Zellen in einem Zellengehäuse, die zusammengestapelt sind, und mehreren Zugstangen, die sich durch die mehreren Zellen parallel zueinander erstrecken und eine Feder einklemmen, die an einem Ende wirkt, um die Zellen zusammenzudrücken, wobei die Feder mindestens zwei Drehpunktelemente berührt, die zwischen den Zugstangen positioniert sind, wobei die Drehpunkte beweglich sind, wenn der Druck gelöst wird, und wobei die Feder eine Blattfeder ist, die ein oder mehr Blattfederelemente umfasst, und wobei mehrere Einzelfedern und Paare von Zugstangen und Paare von Drehpunkten den Zellenstapel zusammendrücken, wobei die Federn planar sind und alle in einer gemeinsamen Ebene liegen und die Zugstangen alle parallel zueinander ausgerichtet sind.