DE202017107879U1

DE202017107879U1 - Elektrode für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien und Redox-Flow-Batterie mit einer solchen Elektrode

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Publication number: DE202017107879U1
Application number: DE202017107879.5U
Authority: DE
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-03-25
Anticipated expiration: 2027-12-23
Also published as: DE102018222728A1

Abstract

Elektrode für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien, mit
einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Elektrodenstreifen (20) aus porösem Elektrodenmaterial mit einem ersten Ende (22) und einem zweiten Ende (24),
wobei zwischen unmittelbar benachbarten Elektrodenstreifen (20) abwechselnd Einlass- und Auslasskanäle (26, 28) ausgebildet sind,
wobei die Einlasskanäle (26) an den ersten Enden (22) der Elektrodenstreifen (20) in die Elektrode hineinführen und wobei die Auslasskanäle (28) an den zweiten Enden (24) der Elektrodenstreifen (20) aus der Elektrode herausführen, und
wobei die Einlasskanäle (26) an den zweiten Enden (24) der Elektrodenstreifen (20) und die Auslasskanäle (28) an den ersten Enden (22) der Elektrodenstreifen (20) durch flüssigkeitsdichte Abschlüsse (34) geschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien gemäß Anspruch 1 sowie eine Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweise mit mit einer solchen Elektrode gemäß Anspruch 9.
Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Redox-Flow-Batterie ist aus der DE 10 2012 017 306 A1 bekannt und wird nachfolgend anhand von 5 beschrieben. Bei einer Redox-Flow-Batterie ist die Energie in den Elektrolyten in Form von Metallen, Salzen oder anderen chemischen Verbindungen gespeichert, wobei diese Verbindungen in flüssiger, dispergierter oder gelöster Form vorliegen. Die Elektrolyte werden in externen Tanks 2, 3 gelagert. Zum Laden oder Entladen werden die Elektrolyte durch einen elektrochemischen Reaktor 4 gepumpt. In dem elektrochemischen Reaktor 4 wird durch Anlegen einer Spannung über einen Stromanschluss 6 an den jeweiligen Elektroden 8, 9 durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen beim Laden elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen wieder in elektrische Energie zurück umgewandelt. Der Reaktor 2 besteht aus zwei Halbzellen mit jeweils einer Elektrode 8, 9. Beide Halbzellen sind durch eine Membran 10 voneinander getrennt. Zur Leistungserhöhung einer Energiewandlereinheit können z. B. mehrere solche Einzelzellen zu sogenannten Stacks oder Zellstapeln zusammengefasst werden.
Um den Elektrolyten entlang der Elektroden 8, 9 zu führen werden üblicherweise sogenannte Bipolarplatten eingesetzt, die offenen Strömungskanäle für den Elektrolyten aufweisen. Durch die Kontaktierung dieser Bipolarplatten mit einem Flussrahmen und der jeweiligen Elektrode werden die geschlossenen Strömungskanäle für die Elektrolyten gebildet. Bei sogenannten Stacks oder Zellenstapel weist die Bipolarplatte auf beiden Seiten offene Strömungskanäle auf, so dass eine Bipolarplatte für jeweils zwei Halbzellen die Strömungskanäle bereitstellt. Herkömmliche Elektroden werden daher planparallel entlang der Membran auf gesamter Breite der Elektrode vom Elektrolyten durchströmt. Bei technischen Zellgeometrien muss die Elektrodenlänge Länge der Elektrode von oben nach unten in 4 im Bereich >30cm liegen, um wirtschaftliche Stack- und damit Leistungsdaten zu gewährleisten. Bei Durchströmungslängen >30cm und den technisch erforderlichen Elektrolytgeschwindigkeiten von ca. 0.7cm/s steigen die Druckverluste innerhalb der Batterie auf etwa 1 bar an. Damit einhergehen Leistungsverluste des Stacks aufgrund der erforderlichen Pumpleistung (für Überwindung des Druckabfalls). Aufgrund der langen Wege des Elektrolyten durch Elektrodenmaterial wird ein großer Teil der zur Verfügung stehenden Energieträger (Redox-Spezies) verbraucht und führt besonders gegen Ende des Elektrodenweges zu ineffizienter Performance. Die von dem Elektrolyten durströmte Elektrodenlänge ist daher möglichst kurz zu halten um die gesamte Stackeffizienz zu erhöhen, dies widerspricht der Forderung nach Hohen Elektrodenlängen.
Anstelle der Strömungskanäle für die Elektrolyt-Flüssigkeit in den Bipolarplatten ist es auch möglich in den Elektrodenschichten aus porösem Elektrodenmaterial Strömungskanäle für die Elektrolyt-Flüssigkeit vorzusehen. Aus der WO 94/11912 A ist es bekannt in der Elektrodenschicht abwechselnd Einlass- und Auslasskanäle vorzusehen, wobei die Einlasskanäle an einem Ende der Elektrode und die Auslasskanäle am gegenüberliegenden Ende der Elektrode zu einem Einlass bzw. zu einem Auslass zusammengefasst werden. D. h. die Ein- und Auslasskanäle greifen wie die Finger von zwei Händen in einer Ebene ineinander. Nachteilig hierbei ist, dass die bekannte flächige Elektrode über ihre Fläche nicht gleichmäßig von der Elektrolyt-Flüssigkeit durchströmt wird. Über die Länge der Einlasskanäle kann Elektrolyt-Flüssigkeit über das poröse Elektrodenmaterial entweder in den linken oder den rechten benachbarten Auslasskanal strömen. An den toten Enden der Einlasskanäle kann die Elektrolyt-Flüssigkeit zusätzlich durch das poröse Elektrodenmaterial direkt in den Auslasssammelkanal fließen. Folglich wird das poröse Elektrodenmaterial nicht über die gesamte Fläche gleichmäßig durchströmt.
Ausgehend von der WO 94/11912 A ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte sowie eine damit ausgerüstete Redox-Flow-Batterie bereitzustellen, die eine gleichmäßige Durchströmung der Elektrodenschicht über die gesamte Fläche ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9.
Dadurch, dass die Einlasskanäle an den zweiten Enden der Elektrodenstreifen und die Auslasskanäle an den ersten Enden der Elektrodenstreifen durch flüssigkeitsdichte Abschlüsse geschlossen sind, kann Elektrolyt-Flüssigkeit über die gesamte Länge der Einlasskanäle über eine gleichlange Wegstrecke durch das poröse Elektrodenmaterial nur in den linken oder rechten benachbarten Auslasskanal strömen. Damit ist gewährleistet, dass das poröse Elektrodenmaterial über die gesamte Fläche der Elektrode gleichmäßig durchströmt wird. Im Vergleich zum Stand der Technik sind die Druckverluste bis zu einem Faktor 30 reduziert. Auch Diffusionsverluste ??? sind aufgrund der verkürzten Durströmungslänge des porösen Elektrodenmaterials verringert. Hierdurch ergibt sich eine Steigerung der Spannungseffizienz (mittlere Entladespannung/mittlere Ladespannung).
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 oder 5 vereinfacht sich die Herstellung der flüssigkeitsdichten Abschlüsse.
Durch die vorteilhafte Geometrie der Ein- und Auslasskanäle nach Anspruch 3 ergeben sich in den Ein- und Auslasskanälen nur geringe Druckverluste.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird die gleichmäßige Durchströmung der Elektrode gefördert. Nur das in das Elektrodenmaterial eingesickerte Material der Abschlüsse verringert die Länge der Ein- und Auslasskanäle unwesentlich.
Anspruch 6 hat beispielhafte Materialien für die Abschlüsse zum Gegenstand.
Nach Anspruch 7 ist die Elektrode in einen Flussrahmen eingesetzt, wodurch die Zu- und Abfuhr des flüssigen Elektrolyten vereinfacht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird die Membran beidseitig durch eine Gitterstruktur abgedeckt, um die mechanische Stabilität der Membran zu erhöhen. Geeignet hierfür ist z. B. Glasfasernetz oder Glasfasergitter. Hierdurch wird verhindert, dass der in den Strömungskanälen der Elektrode fließende Elektrolyt Teile aus der Membran herauslöst.
Anspruch 9 bezieht sich auf eine Redox-Flow-Batterie mit einer solchen Elektrode und weist dadurch eine verbesserte Leistung auf.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigt

1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Detail A der Elektrode aus 1,
3 eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zu Ebene der Elektrode,
4 eine schematische Darstellung der Anordnung der Elektrode in einer Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweisen, und
5 den Aufbau einer Redox-Flow-Batterie nach dem Stand der Technik.

1 zeigt in Aufsicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Elektrode 19 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zehn rechteckige Elektrodenstreifen 20 aus porösem durchströmbaren Elektrodenmaterial sind parallel zueinander mit Abstand zueinander angeordnet. Die Elektrodenstreifen weisen ein erstes Ende 22 und ein zweites Ende 24 auf. Zwischen den Elektrodenstreifen 20 sind abwechselnd Einlasskanäle 26 und Auslasskanäle 28 angeordnet. Die Einlasskanäle 26 werden an den ersten Enden 22 der Elektrodenstreifen 20 zu einem Elektrolyt-Einlass 30 und an dem zweiten Ende 24 der Elektrodenstreifen 20 zu einem Elektrolyt-Auslass 32 zusammengefasst. Die Einlasskanäle 26 an den zweiten Enden 24 der Elektrodenstreifen 20 und die Auslasskanäle 28 an den ersten Enden 22 der Elektrodenstreifen 20 sind durch flüssigkeitsdichte Abschlüsse 34 geschlossen. Die Elektrode ist üblicherweise in einen Flussrahmen eingesetzt - siehe 4.
2 zeigt eine Detaildarstellung der Elektrode 19 aus dem mit A gekennzeichneten Bereich in 1. Die Einlasskanäle 26 und die Auslasskanäle 28 reichen bis ca. 1mm an die ersten und zweiten Enden 22, 24 der Elektrodenstreifen 20 heran. Das verbleibende Stück Elektrode - ca. 1mm - wird mit Füllstoff abgedichtet, wodurch sich die Abschlüsse 34 ergeben. Der Füllstoff bzw. die flüssigkeitsdichten Abschlüsse 34 sind z. B. ein Polymer, der durch ein passendes Lösungsmittel verflüssigt wird. Nach Verflüchtigung des Lösungsmittels geht der Füllstoff einen elastischen und flüssigkeitsdichten Materialverbund mit den Elektrodestreifen 20 ein und bildet die flüssigkeitsdichten Abschlüsse 34. Alternativ kann der der Füllstoff kann ein Polymer sein, welches durch Erhitzen verflüssigt wird und in die Elektrodenstreifen 20 einzieht. Nach Erkalten geht der Füllstoff einen elastischen und flüssigkeitsdichten Materialverbund mit Elektrodenstreifen 20 wodurch die flüssigkeitsdichten Abschlüsse 34 gebildet sind. Mögliches Material für den Füllstoff kann sein: PVC-U Kleber (ca. 25% Polyvenylchlorid (PVC) + 75%Tetrahydrofuran (THF)), Silikonkleber, (geschmolzenes) Silikonkautschuk, Fluorkautschuk.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zu Ebene der Elektrode 19 nach 1, wobei eine Anode 36 und eine Kathode 38 mit einer Membran 40 dazwischen gezeigt ist. Sowohl die Anode 36 als auch die Kathode 38 ist als Elektrode 19 nach 1 ausgebildet. Die Elektroden 36, 38 werden jeweils von einer flüssigkeitsdichten Bipolarplatte oder Monopolarplatte 42 abgedeckt. Die Einlass- und Auslasskanäle 26, 28 reichen durch die gesamte Ebene der Elektroden 36, 38, um genug Platz für die Elektrolytströmung zu lassen und um die Druckverluste gering zu halten. Die Membran 40 wird beidseitig durch ein Glasfasernetz oder Glasfasergitter abgedeckt - nicht dargestellt. Hierdurch wird verhindert, dass der in den Strömungskanälen der Elektrode fließende Elektrolyt Teile aus der Membran herauslöst.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Elektrode 19 in einer Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweisen. Die Elektroden 19 sind jeweils in einen Flussrahmen 44 eingesetzt. Die beiden Elektroden 19 mit Flussrahmen 44 bilden Anode 36 und Kathode 38 und schließen die Membran 40 zwischen sich ein. Die von der Membran 40 abgewandte Seite der Elektroden 19 mit Flussrahmen 44 werden durch eine Monopolarplatte 42 bedeckt. Der Stapel wird Stromabnehmerplatten 46 abgeschlossen. Anstelle der Monopolarplatten 42 werden Bipolarplatten eingesetzt, wenn mehrere Zellen mit Anode 36, Kathode 38 und Membran 40 in einem Stapel angeordnet werden.
Im Vergleich zum Stand der Technik sind die Druckverluste bis zu einem Faktor 30 reduziert. Auch Diffusionsverluste ??? sind aufgrund der verkürzten Durströmungslänge des porösen Elektrodenmaterials verkürzt. Außerdem ergibt sich bei einer Stromdichte von 160mA/cm² und einer Elektrolytgeschwindigkeiten von 0.7cm/s eine Steigerung der Spannungseffizienz um bis zu 10%.
Bezugszeichenliste

2, 3: Elektrolyttanks
4: elektrochemischer Reaktor, Zelle
6: Stromanschluss
8, 9: Elektroden
10: Membran
19: Elektrode
20: Elektrodenstreifen
22: erstes Ende von 20
24: zweites Ende von 20
26: Einlasskanäle
28: Auslasskanäle
30: Elektrolyt-Einlass
32: Elektrtolyt-Auslass
34: flüssigkeitsdichte Abschlüsse
36: Anode
38: Kathode
40: Membran
42: Bipolarplatte, Monopolarplate
44: Flussrahmen
46: Stromabnehmerplatten

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

DE 102012017306 A1 [0002]
WO 94/11912 A [0004, 0005]

Claims

Elektrode für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien, mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Elektrodenstreifen (20) aus porösem Elektrodenmaterial mit einem ersten Ende (22) und einem zweiten Ende (24), wobei zwischen unmittelbar benachbarten Elektrodenstreifen (20) abwechselnd Einlass- und Auslasskanäle (26, 28) ausgebildet sind, wobei die Einlasskanäle (26) an den ersten Enden (22) der Elektrodenstreifen (20) in die Elektrode hineinführen und wobei die Auslasskanäle (28) an den zweiten Enden (24) der Elektrodenstreifen (20) aus der Elektrode herausführen, und wobei die Einlasskanäle (26) an den zweiten Enden (24) der Elektrodenstreifen (20) und die Auslasskanäle (28) an den ersten Enden (22) der Elektrodenstreifen (20) durch flüssigkeitsdichte Abschlüsse (34) geschlossen sind.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlüsse (34) der Ein- und Auslasskanäle (26, 28) aus einem Füllstoff bestehen, der die ersten und zweiten Enden (22, 24) der Elektrodenstreifen (20) vollständig abdichtet.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstreifen (20) rechteckig ausgebildet und mit ihren Längsseiten parallel nebeneinander angeordnet sind.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslasskanäle (26, 28) sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Elektrodenstreifen (20) erstrecken.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff der flüssigkeitsdichten Abschlüsse (34) ein Polymer ist, der zunächst in flüssiger Form in das poröse Elektrodenmaterial einzieht und sich anschließend verfestigt.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff aus PVC-U-Kleber, Silikonkleber, Silikonkautschuk oder Fluorkautschuk besteht.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (19) in einem Flussrahmen (44) angeordnet ist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran beidseitig durch eine Netz- oder Gitterstruktur abgedeckt ist.
Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweise mit einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils zwei Elektroden (19) mit Flussrahmen (44) aufweisen zwischen denen eine Membran (40) angeordnet ist, wobei die Anordnung aus zwei Elektroden (19) mit Flussrahmen (44) und Membran (40) von zwei Bipolarplatten (42) eingefasst ist, und wobei jede der beiden Bipolarplatten (42) jeweils zwei benachbarten Zellen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Elektrode (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.