DE202018102852U1

DE202018102852U1 - Alternative kostengünstige Elektroden für Hybrid-Flow-Batterien

Info

Publication number: DE202018102852U1
Application number: DE202018102852.9U
Authority: DE
Original assignee: ESS Technology Inc; ESS Tech Inc
Current assignee: ESS Technology Inc; ESS Tech Inc
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2028-05-23

Abstract

Redox-Flow-Batterie, umfassend:eine Membran, die zwischen eine an einer ersten Seite der Membran positionierte erste Elektrode und eine an einer zweiten Seite der Membran gegenüber der ersten Seite positionierte zweite Elektrode gesetzt ist;eine erste Strömungsfeldplatte, welche mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst, wobei jede der mehreren positiven Strömungsfeldrippen die erste Elektrode an ersten Stützregionen an der ersten Seite kontaktiert; unddie zweite Elektrode, mit einem zwischen der Membran und einer zweiten Strömungsfeldplatte positionierten Elektrodenabstandshalter, wobei der Elektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst, wobei jede der mehreren Hauptrippen die zweite Strömungsfeldplatte an zweiten Stützregionen an der zweiten Seite kontaktiert, wobei jede der zweiten Stützregionen gegenüber einer der mehreren ersten Stützregionen ausgerichtet ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Nr. 14/984,416 mit dem Titel „ALTERNATIVE LOW COST ELECTRODES FOR HYBRID FLOW BATTERIES“, eingereicht am 30. Dezember 2015. US-Patentanmeldung Nr. 14/984,416 beansprucht Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/098,200 mit dem Titel „CARBON COATED PLASTIC ELECTRODES FOR HYBRID BATTERIES“, die am 30. Dezember 2014 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt der vorstehend genannten Anmeldungen ist hiermit durch Erwähnung für alle Zwecke mitaufgenommen.
BESTÄTIGUNG VON REGIERUNGSUNTERSTÜTZUNG
Diese Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter Regierungsvertrag Nr. DEAR0000261, der vom Energieministerium, Behörde ARPA-E, vergeben wurde. Die Regierung hat gewisse Rechte an der Erfindung.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung ist auf Hybrid-Flow-Batteriesysteme zum Zusammenbauen von Hybrid-Flow-Batteriesystemen gerichtet.
HINTERGRUND/ZUSAMMENFASSUNG
Eine Reduktions-Oxidations(Redox)-Flow-Batterie ist eine elektrochemische Speichervorrichtung, die Energie in einer chemischen Form speichert. Die gespeicherte chemische Energie wird mittels spontaner Redox-Umkehrreaktionen umgewandelt. Zum Rückspeisen chemischer Energie wird ein elektrischer Strom angelegt, um die Redox-Umkehrreaktion zu induzieren. Hybrid-Flow-Batterien scheiden ein oder mehrere der elektroaktiven Materialien als Festschicht auf einer Elektrode ab. Hybrid-Flow-Batterien enthalten eine Chemikalie, die an einem Zeitpunkt im Verlauf der Ladungsreaktion auf einem Substrat eine Feststoff-Präzipitatplatte bildet, die im Verlauf der Entladungsreaktion auch aufgelöst werden kann. Während der Ladungsreaktion kann die Chemikalie auf der Oberfläche des Substrats fest werden, was eine Platte nahe der Elektrodenoberfläche bildet. Die Chemikalie ist regelmäßig eine metallische Verbindung. Bei Hybrid-Flow-Batteriesystemen kann die von der Redoxbatterie gespeicherte Energie durch die während Laden plattierte Metallmenge beschränkt werden und kann demgemäß durch den Wirkungsgrad des Plattierungssystems sowie das verfügbare Volumen und den verfügbaren Flächeninhalt für Plattieren bestimmt werden.
Die positiven und negativen Elektroden in Redox-Flow-Batterien sind an den elektrochemischen Reaktionen zum Speichern und Freisetzen von chemischer Energie beteiligt. Die Elektroden können somit in Batterien als wichtige Komponente betrachtet werden, da die Elektrode Einfluss auf Leistung, Kapazität, Wirkungsgrad und Gesamtkosten der Batterie hat.
Ein Beispiel für eine Hybrid-Redox-Flow-Batterie ist eine All-Eisen-Redox-Flow-Batterie (IFB). Die IFB nutzt Eisen als Elektrolyten für Reaktionen mit einer negativen Elektrode, wo es zu Plattierung kommt, welche hierin auch als Plattierungselektrode bezeichnet wird, und mit einer positiven Elektrode, wo eine Redoxreaktion auftritt, die hierin auch als Redoxelektrode bezeichnet wird. Die Leistung einer IFB-Batterie kann in ihre Plattierungselektrodenleistung (negative Elektrode), Redoxelektrodenleistung (positive Elektrode) und ohmschen Widerstandsverlust untergliedert werden. Auf der Plattierungselektrode gewinnt das zweiwertige Eisen (Fe2+) Elektronen und plattiert während der Ladung als festes Eisen auf den Substraten, wie in der nachstehenden Gleichung (1) gezeigt ist, und das feste Eisen löst sich während Entladung als Eisen(II)-Ionen auf und setzt zwei Elektronen frei. Das Gleichgewichtspotenzial für die Eisenplattierungsreaktion beträgt -0,44V. An der Redoxelektrode tritt die Redoxreaktion zwischen Eisen(II)-Ionen und Eisen(III)-Ionen (Fe3+) während Ladung und Entladung auf. An der positiven Elektrode verlieren während der Ladung zwei Fe2+ Ionen zwei Elektronen, um Fe3+ Ionen zu bilden, wie nachstehend in Gleichung (2) gezeigt ist, und während der Entladung gewinnen zwei Fe3+ Ionen zwei Elektronen, um Fe2+ zu bilden. Das Gleichgewichtspotenzial zwischen Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen beträgt +0,77V. Somit ist die Reaktion in einer IFB-Redox-Flow-Batterie reversibel. Fe2++ 2e- ↔ Fe0 (Negative Elektrode) (1) 2 Fe2+ ↔ 2Fe3+ + 2e- (Positive Elektrode) (2)
An der negativen Elektrode einer IFB konkurriert die Reduktionsreaktion des zweiwertigen Eisens mit zwei Nebenreaktionen: der Reduktion von Wasserstoffprotonen H3 (Reaktion (3)), wobei zwei Wasserstoffprotonen jeweils ein einziges Elektron annehmen, um Wasserstoffgas, H2, zu bilden, bzw. der Korrosion von abgeschiedenem Eisenmetall, um Eisen(II)-Ion Fe2+ zu bilden (Reaktion (4)) zu bilden:
Diese zwei Nebenreaktionen können den Batteriegesamtwirkungsgrad verringern, da zu der negativen Elektrode übertragene Elektronen durch Wasserstofferzeugung statt durch Eisenplattierung verbraucht werden können. Weiterhin können diese Nebenreaktionen zu unausgewogenen Elektrolyten führen, was wiederum über Zeit zu Verlust von Batteriekapazität führen kann.
Die Fe2+/Fe3+ Redoxreaktion an der positiven Elektrode ist kinetisch schnell. Die Leistung der IFB-Batterie kann daher durch die Leistung ihrer negativen Elektrode beschränkt werden, welche Folge der Plattierungskinetik, des Plattierungswiderstands und von Plattierungsmassentransportverlusten ist. Weiterhin wird die Kapazität der IFB-Batterie dadurch gesteuert, wie viel festes Eisen die negative Elektrode speichern kann. Ferner steht der Wirkungsgrad der IFB-Batterie mit dem Ausmaß von Nebenreaktionen, etwa Nebenreaktionen (3) und (4) auf der Plattierungselektrode, in Verbindung. Daher kann es wünschenswert sein, eine Plattierungselektrode zu wählen, deren Eigenschaften hinsichtlich Batterieleistung und -wirkungsgrad bei minimalen Kosten optimiert sind.
Derzeit werden titan(Ti)-basierte Netzmaterialien als negative (Plattierungs-)Elektrode verwendet, und kohlenstoff(C)-basierte poröse Materialien, etwa Kohlepapier und Kohlenstofffilz, werden als positive Elektrode verwendet. Sowohl die negative als auch positive Elektrode sind mit einem ineinandergreifenden Elektrolytströmungsfeld (IDFF) ausgelegt. Das Ti-Material ist in der negativen Halbzellenumgebung stabil, und das Netz vergrößert den Gesamtflächeninhalt und das Gesamtvolumen für Plattierung. Die aktuellen Elektrodenmaterialien sind während Ladezyklen stabil, wobei an der Elektrode ein hohes Potenzial angelegt werden kann. Diese Plattierungs- und Redox-Elektrodenmaterialien sind jedoch teuer und steigern die Batteriegesamtkosten. Ti-Material weist auch katalytische Wirkungen für Wasserstoffentwicklungsreaktionen auf; daher kann die Nutzung von Ti-Material zu einem größeren Maß an Nebenreaktion, z.B. der Wasserstoffprotonenreduktion (3), führen. Weiterhin können bestehende nicht-Tibasierte Netzgestrick-Elektroden zu teuer sein und eine für die erwünschte Batterieladungskapazität unzureichende Plattierungsdichte liefern. Des Weiteren erhöht das Betreiben von Redox-Flow-Batteriesystemen bei höher Plattierungsdichte Elektrolytströmungs- und Gasblasenentwicklungsraten, die bei herkömmlichen Flow-Batterie-Elektrodenkonfigurationen nicht praktisch bewältigt werden können, und kann Elektrodenplattierung verspröden und die Elektroden degradieren. Des Weiteren können herkömmliche Flow-Batterie-Elektrodenkonfigurationen höhere Stromdichteverteilungsvarianzen aufweisen, welche zu vorzeitigem Kurzschluss des Redox-Flow-Batteriesystems führen können.
Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass die vorstehenden Probleme zumindest teilweise durch eine Redox-Flow-Batterie angegangen werden können, welche umfasst: eine Membran, die zwischen eine an einer ersten Seite der Membran positionierte erste Elektrode und eine an einer zweiten Seite der Membran gegenüber der ersten Seite positionierte zweite Elektrode gesetzt ist; eine erste Strömungsfeldplatte, welche mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst, wobei jede der mehreren positiven Strömungsfeldrippen die erste Elektrode an ersten Stützregionen an der ersten Seite kontaktiert; und die zweite Elektrode, mit einem zwischen der Membran und einer zweiten Strömungsfeldplatte positionierten Elektrodenabstandshalter, wobei der Elektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst, wobei jede der mehreren Hauptrippen die zweite Strömungsfeldplatte an zweiten Stützregionen an der zweiten Seite kontaktiert, wobei jede der zweiten Stützregionen gegenüber einer der mehreren ersten Stützregionen ausgerichtet ist.
In einer anderen Ausführungsform, welche jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, kann ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Redox-Flow-Batterie umfassen: an einer Plattierungsseite einer Membran das sandwichartige Einfügen eines Plattierungselektrolytströmungsfelds und eines Plattierungselektrodenabstandshalters zwischen die Membran und eine Plattierungsströmungsfeldplatte, wobei der Plattierungselektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst; an einer Redoxseite der Membran das sandwichartige Einfügen eines Redoxelektrolytströmungsfelds zwischen einer Redoxelektrode und einer Redoxströmungsfeldplatte, wobei die Redoxelektrode mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst; und das Ausrichten jeder der mehreren Hauptrippen mit den mehreren positiven Strömungsfeldrippen, wobei bei Pressen der Plattierungströmungsfeldplatte und der Redoxströmungsfeldplatte hin zur Membran die Hauptrippen von den positiven Strömungsfeldrippen über der Membran gegenüberliegend gelagert werden, ohne dass ein Maß des Plattierungselektrolytströmungsfelds wesentlich geändert wird.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Redox-Flow-Batterie umfassen: einen negativen Elektrodenabstandshalter, der zwischen eine negative Seite einer Membran und eine negative Strömungsfeldplatte gesetzt ist, und eine positive Elektrode, die zwischen eine positive Seite einer Membran und eine positive Strömungsfeldplatte gesetzt ist, wobei der negative Elektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst, die positive Elektrode mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst, die über die Membran von den mehreren Hauptrippen gegenüberliegend ausgerichtet sind, und die negative Strömungsfeldplatte eine kontinuierlich gleichmäßige Plattierungsfläche umfasst, die der Membran zugewandt ist, wobei die Plattierungsfläche und die Membran dazwischen ein nicht ineinandergreifendes negatives Elektrolytströmungsfeld sandwichartig einschließen.
Auf diese Weise kann ein neuartiges Redox-Flow-Batteriesystem mit einem größeren Elektrodenabstand vorgesehen werden, wodurch höhere Plattierungsstromdichten und Batterieladungskapazitäten geboten und höhere Elektrolytströmungs- und Gasblasenentwicklungsraten bewältigt werden. Weiterhin können Stromdichteverteilungsvarianz, ohmsche Verluste, Batteriekurzschluss und Herstellungskosten sowie Betriebskosten verringert 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
Das Patent bzw. die Anmeldungsakte enthält mindestens eine in Farbe ausgeführte Zeichnung. Kopien dieser Patent- oder Patentanmeldungsveröffentlichung mit Farbzeichnung(en) werden auf Antrag und Zahlung der erforderlichen Gebühr vom Amt bereitgestellt.

1 zeigt ein Schaltbild eines beispielhaften Redox-Flow-Batteriesystems.
2 veranschaulicht Fe-Plattierungskinetik an verschiedenen Elektroden.
3A zeigt eine Elektronenmikrofotografie einer kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetz-Elektrode.
3B zeigt eine Elektronenmikrofotografie einer kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetz-Elektrode.
4 zeigt den Vergleich von negativer Elektrodenleistung bei einem nichtbeschichteten Kunststoffnetz, zwei beschichteten Kunststoffnetzen und einem Ti-Netz als Baseline.
5 zeigt den Druck der negativen Elektrode bei einem hydrophoben nichtbeschichteten Netz und dem gleichen Netz mit einer hydrophilen Beschichtung.
6 zeigt ein Beispiels einer gefangenen Wasserstoffblase in einem nichtbeschichteten Netz und wie es den Ort und die Morphologie des aufgetragenen Fe beeinflusst.
7 zeigt ein Schaubild einer Beschichtung auf einem Kunststoffnetz.
8 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer beschichteten Kunststoffnetzelektrode.
9 veranschaulicht die Leistung von kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetz-Elektroden.
10 veranschaulicht die Leistung von kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektroden während Zyklisieren.
11 stellt eine Tabelle dar, die Stromdichteverteilungsvarianz und Batteriekurzschlusszeit zeigt.
12-13 stellen Tabellen dar, die Stromdichteverteilungsvarianzen für verschiedene Elektrodenkonfigurationen zeigen.
14-15 zeigen grafische Darstellungen von Stromdichteverteilungs- und Batterievalidierungsdaten von verschiedenen Elektrodenkonfigurationen von 12-13.
16 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine beispielhafte Elektrodenkonfiguration für ein Redox-Flow-Batteriesystem.
17A veranschaulicht eine Ansicht mit vergrößertem Teildetail der beispielhaften Elektrodenkonfiguration von 16.
17B-E veranschaulichen vergrößerte Teilquerschnittansichten der beispielhaften Elektrodenkonfiguration von 16.
18A und 18B veranschaulichen ein beispielhaftes Draufsicht- und Querschnittansichtschaubild einer Elektrodenkonfiguration mit einem ineinandergreifenden Strömungsfeld (IDFF).
19 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zum Zusammenbauen einer Redox-Flow-Batterie, welches jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
20A-B veranschaulichen Teilquerschnittansichten von beispielhaften Redox-Flow-Batteriekonfigurationen mit einer gestützten bzw. nicht gestützten Elektrodenstapelanordnung .
21A-C veranschaulichen Teilquerschnittansichten einer Elektrodenstapelanordnung mit verschiedenen Hauptrippenkonfigurationen.
22A-J veranschaulichen vergrößerte Draufsichten der verschiedenen Elektrodenkonfigurationen von 12-13.
23A veranschaulicht eine explodierte Draufsicht einer anderen Darstellung einer Elektrodenkonfiguration.
23B veranschaulicht eine Draufsicht auf den Elektrodenabstandshalter, der in der Elektrodenkonfiguration von 23A enthalten ist.
23C und 23D veranschaulichen Querschnittansichten der Elektrodenkonfiguration von Fig. 23AS an den Schnitten B-B bzw. A-A.
23E veranschaulicht eine Detailansicht von Region C der Elektrodenkonfiguration von 23A.
23F veranschaulicht eine Draufsicht auf die Elektrodenkonfiguration von 23A.
24A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine andere Darstellung einer Elektrodenkonfiguration.
24B und 24D veranschaulichen Querschnittansichten der Elektrodenkonfiguration von 24A an den Schnitten A-A bzw. C-C.
24C veranschaulicht eine Detailansicht der Elektrodenkonfiguration von 24A an Region B.

Eingehende Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft Materialien für eine neuartige beschichtete Kunststoffnetzelektrode zur Verwendung in einem Redox-Flow-Batteriesystem, welche die Leistung verglichen mit aktuellen Elektrodenmaterialien verbessert oder wahrt, während sie die Gesamtkosten reduziert. Redox-Flow-Batteriesysteme, ein Beispiel dafür ist in 1 gezeigt, können eine All-Eisen-Hybrid-Redox-Flow-Batterie (IFB), eine Zn-Br2+ Flow-Batterie oder eine Zn-NiOOH(MnO2)-Batterie enthalten und können das offenbarte Redox-Flow-Batteriesystem umfassen. In einem Beispiel ist bei einem IFB-System die Eisenplattierungskinetik auf nichteisen-basierten Substraten wie in 2 gezeigt zunächst erkennbar langsam. Die offenbarte beschichtete Kunststoffnetzelektrode, die in 3A und 3B gezeigt ist, verbessert oder wahrt nach einem anfänglichen Plattierungszyklus somit die Leistung. Ein Vergleich der Plattierungselektrodenleistung zwischen einem Baseline-Ti-Netz und beschichteten Netzen ist in 4 gezeigt. Die Nutzung einer beschichteten Kunststoffnetzelektrode reduziert die Menge von Elektrodenaktivmaterial und daher die Kosten der teuren leitfähigen Materialien. In dem in 5 vorgesehenen Graphen werden der Druck einer negativen Elektrode aus Kunststoffnetz mit einer hydrophilen Beschichtung und der Druck eines Kunststoffnetzes ohne Beschichtung verglichen. In 6 wird ein Beweis für die negativen Plattierungseigenschaften von nicht beschichteten Kunststoffnetzen geboten. Die offenbarte Elektrode weist eine optimierte Dicke und Öffnung der Kunststoffnetz- und Kohlestoffbeschichtung auf, wie in 7 gezeigt ist, was spezifischen Elektrodenwiderstand reduziert, wodurch verglichen mit derzeitigen Redox-Flow-Elektroden, die in 9 und 10 gezeigt sind, die Leistung verbessert wird.
Elektrodenkonfigurationen, die höhere Stromdichteverteilungsvarianzen aufweisen, können einen Kurzschluss der Batteriezelle beschleunigen, wie in 11 gezeigt ist. 12-13 vergleichen verschiedene beispielhafte Elektrodenkonfigurationen, wobei hierzu in 14 zugeordnete Stromdichteverteilungsvarianzen und in 15 Batterievalidierungstestdaten gezeigt werden. In 22A-J sind vergrößerte Ansichten der verschiedenen Elektrodenkonfigurationen von 12-13 gezeigt. 16 und 17A-E zeigen verschiedene Ansichten einer beispielhaften Elektrodenkonfiguration mit niedrigeren Stromverteilungsdichteschwankungen, und 19 beschreibt ein Verfahren, welches jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zum Zusammenbauen einer Redox-Flow-Batterie, welche die Elektrodenkonfiguration von 16 und 17A-E umfasst. 18A und 18B zeigen ein Beispiel für einen Elektrodenkonfiguration für eine Redox-Flow-Batterie, welche ein ineinandergreifendes Strömungsfeld (IDFF) umfasst. 20A und 20B zeigen beispielhafte Elektrodenkonfigurationen für eine Redox-Flow-Batterie mit einer gestützten und einer nicht gestützten Elektrodenstapelanordnung. Zwei alternative Darstellungen für Elektrodenkonfigurationen sind in 23A-F bzw. 24A-D gezeigt.
Unter Verweis auf 1 ist eine beispielhafte grafische Darstellung eines Redox-Flow-Batteriesystems 10 gezeigt, wobei eine einzelne Redox-Batteriezelle 18 dargestellt ist. Die einzelne Redox-Batteriezelle umfasst allgemein eine Kammer für eine negative Elektrode 20, eine Kammer für eine positive Elektrode 22 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-Batteriezellen 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 für die negative Elektrode 20 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 für die positive Elektrode 22 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 für die negative Elektrode 20 mit dem zweiten Elektrolyten in der Kammer für die positive Elektrode 22 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 für die negative Elektrode 20 bzw. die Kammer für die positive Elektrode 22 gepumpt werden. In dem in 1 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 und gewinnt ein oder mehrere Elektronen.
Während Entladung der Batterie treten die Redox-Umkehrreaktionen auf die 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 für die negative Elektrode 20 und der Kammer für die positive Elektrode 22 wahren über dem Redox-Flow-Batteriesystem eine Differenz des elektrischen Potenzials und kann durch einen Leiter einen Strom indizieren, 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, etwa den pH-Wert des Elektrolyten, 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 für die negative Elektrode 20 bzw. der Kammer für die positive Elektrode 22 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 Hybrid-Flow-Batterien handelt es sich um eine Redox-Flow-Batterie, die durch die Ablagerung eines oder mehrerer der elektroaktiven Materialien als feste Schicht auf einer Elektrode gekennzeichnet sein kann. Bei Hybrid-Flow-Batteriesystemen kann die Ladekapazität (Die Menge gespeicherter Energie) der Redoxbatterie durch die während Batterieladung plattierte Metallmenge beschränkt werden und kann demgemäß von dem Wirkungsgrad des Plattierungssystems sowie von dem verfügbaren Volumen und der verfügbaren Flächeninhalt für Plattieren abhängen.
Bei dem 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 für die negative Elektrode 20 (hierin auch als Plattierungsseite bezeichnet) der Batterie kann als Plattierungselektrolyt bezeichnet werden, und der Elektrolyt der positiven Elektrode in der Kammer der positiven Elektrode 22 (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 in der IFB vorhandenen wesentlichen Komponenten ähneln der in 1 beschriebenen Hybrid-Flow-Batterie, wobei die IFB einen vorteilhaften Elektrolyten, welcher Eisensalze enthält, umfasst. Der vorteilhafte 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, 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 lonenweg vorsieht, sowie Elektrolyte, in denen die Energie der IFB gespeichert wird. Die Kapazität einer IFB-Batterie kann durch die in 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.
Die Leistung des IFB-Systems kann somit auf seiner Plattierungselektrodenleistung, Redoxelektrodenleistung und seinem ohmschen Widerstandsverlust beruhen. An der positiven Seite der IFB tritt die Redoxreaktion zwischen Fe2+ und Fe3+, die durch Reaktion (2) gezeigt ist, während Ladung und Entladung auf. Reaktion (2) ist kinetisch schnell mit minimalen Nebenreaktionen und könnte für die Leistung des IFB-Systems nicht der beschränkende Faktor sein.
An der negativen Seite der IFB tritt die Plattierungsreaktion zwischen Fe2+ und Fe0, die durch Reaktion (1) gezeigt ist, während Ladung und Entladung auf. Das Eisen(II)-Ion, Fe2+, gewinnt Elektronen und plattiert auf Substraten als festes Eisen, Fe0. Diese Plattierungsreaktion kann mit zwei Nebenreaktionen konkurrieren: der Reduktion von Wasserstoffprotonen H3 (Reaktion (3)), wobei zwei Wasserstoffprotonen jeweils ein einziges Elektron annehmen, um Wasserstoffgas, H2, zu bilden, bzw. der Korrosion von abgeschiedenem Eisenmetall, um zweiwertiges Eisen Fe2+ zu bilden (Reaktion (4)):
Fe⁰ +2H⁺ ↔ Fe²⁺+H₂ (Eisenkorrosion) (4)
Beide Nebenreaktionen können den Batteriegesamtwirkungsgrad verringern, da zu der negativen Elektrode übertragene Elektronen zuerst durch Wasserstofferzeugung statt durch Eisenplattierung verbraucht werden können. Weiterhin können diese Nebenreaktionen zu unausgewogenen positiven Elektrolyten führen, was ferner über Zeit zu Batteriekapazitätsverlust führen kann. Ferner kann das erzeugte H2 in der negativen Elektrode zurückgehalten werden, was wiederum die elektrochemische aktive Fläche reduzieren kann und Elektrodenüberpotenziale signifikant erhöhen kann.
Reaktion (1) ist kinetisch langsamer als Reaktion (2) und kann für die Leistung des IFB-Systems der beschränkende Faktor sein. Während Ladungs- und Entladungszyklen kann verglichen mit anderen Redoxbatteriesystemen das Potenzial über der Elektrode niedrig sein. Zu beachten ist, dass die Plattierungskinetik von anderen Batteriesystemen der beschränkende Faktor für Batterieleistung sein kann.
Unter Verweis auf 2 ist die Plattierungskinetik von Eisen, Fe0, einer beispielhaften IFB für verschiedene Elektrodenmaterialien gezeigt. Die Eisenplattierungskinetik ist bei anfänglichem Plattieren von Eisen auf nichteisen-basierte Substrate, etwa Nicht-Fe-Elektrode 1 (206) und Nicht-Fe-Elektrode 2 (204), aufgrund der unähnlichen Materialien langsam. Sobald auf das Substrat eine Schicht aus Eisen plattiert ist, steigt aber die Eisenplattierungskinetik um mehrere Größenordnungen schneller an, wie auf Fe-Elektrode (202) gezeigt ist, da das Eisen nun auf ein eisenbeschichtetes Substrat plattiert. Die Leistung einer IFB kann überwiegend durch die Kinetik der negativen Plattierungselektrode beschränkt werden, die eine Folge der Plattierungskinetik, des Widerstands und von Massetransportverlusten ist. Daher können eine Reihe von Materialien als Substrat der negativen Plattierungselektrode verwendet werden, da die Plattierungskinetik signifikant besser wird und nicht mehr die geschwindigkeitsbeschränkende Seite ist, sobald Eisen auf das Substrat plattiert ist. Eine Elektrode zur Verwendung bei einer Redox-Flow-Batterie muss somit die Plattierungskinetik und Leitfähigkeit von derzeit genutzten Elektroden, wie Ti und C, bei IFB-Systemen beibehalten oder verbessern. Die offenbarte beschichtete Kunststoffnetzelektrode wahrt oder verbessert wie vorstehend erläutert die Leistung. Ein beschichtetes Kunststoffnetz kann in einer IFB-Betriebsbedingung auch überleben, da der IFB-Elektrolyt in einem pH-Bereich von 1-4 liegt, nicht zu sauer oder alkalisch, und das Elektrodenpotenzial niedrig ist, so dass die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode während Betrieb nicht degradiert.
Unter Verweis auf 3A und 3B ist eine Elektronenmikrofotografie der offenbarten Elektrode gezeigt, die ein mit einem Kohlenstoffmaterial beschichtetes Kunststoffnetz zur Verwendung bei Redox-Flow-Batterien umfasst. Andere beispielhafte Beschichtungsmaterialien können Metalloxide (etwa TiO2) und/oder hydrophile Polymere (etwa sulfoniertes PEEK oder perfluorierte Sulfonsäure (PFSA)) sein.
Das Kunststoffnetz kann aus verschiedenen Kunststoffen bestehen. In einem Beispiel kann das Kunststoffnetzmaterial Polypropylen (PP) sein. In einem anderen Beispiel kann das Kunststoffnetzmaterial Polyolefin sein.
Das Beschichtungsmaterial kann aus jeder handelsüblichen Kohlenstofffarbe gewählt sein. Beispielsweise kann das Kohlenstoffmaterial eine Kohlenstofffarbe gewählt aus Electrodag, C220, C120-24 und CM112-48 sein. 3A und 3B zeigen eine Elektronenmikrofotografie der kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektrode bei verschiedenen Vergrößerungswerten. Andere beispielhafte Beschichtungsmaterialien umfassen Metalloxide (etwa TiO2) und hydrophile Polymere (etwa sulfoniertes PEEK oder perfluorierte Sulfonsäure (PFSA)), sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Beschichtungsmaterialien können das Grundkunststoffmaterial von hydrophob zu hydrophil ändern. Somit kann ein hydrophiles Netz die Menge von Wasserstoffblasen, die in dem Kunststoffnetz zurückgehalten werden, reduzieren.
In manchen Ausführungsformen kann das Kunststoffnetz ein unipolares Netz sein. In anderen Ausführungsformen kann das Kunststoffnetz ein bipolares Netz sein. In noch anderen Ausführungsformen kann das Kunststoffnetz ein Netzgestrick sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann das Kunststoffnetz ein Strecknetz sein.
In manchen Ausführungsformen kann ein Behandeln des Kunststoffnetzes vorgenommen werden, um die Adhäsion des Kohlenstoffmaterials an dem Kunststoffnetz zu verbessern. In einem Beispiel erfolgt das Behandeln des Kunststoffnetzes mithilfe einer Lösungsmittelbehandlung, um die Adhäsion des Kohlenstoffmaterials an dem Kunststoffnetz zu verbessern. In einem anderen Beispiel erfolgt das Behandeln des Kunststoffnetzes mithilfe einer Plasmabehandlung, um die Adhäsion des Kohlenstoffmaterials an dem Kunststoffnetz zu verbessern. In anderen Beispielen können mechanischer Abrieb, UV-Bestrahlung oder Elektronenstrahlplasma genutzt werden.
In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann das Beschichtungsmaterial des Kunststoffnetzes leitend sein und kann ein Material wie Kohlenstoff umfassen. Das Kohlenstoffmaterial kann auf dem Kunststoffnetz aufgebracht werden, um eine Kohlenstoffbeschichtung zu bilden. Die Kohlenstoffbeschichtung ist leitend, wenn sie in einem Redox-Flow-Batteriesystem verwendet wird. Die Kohlenstoffbeschichtung kann mithilfe verschiedener Techniken aufgebracht werden. In einem Beispiel kann das Kohlenstoffmaterial durch Airbrushing aufgebracht werden. In einem Beispiel kann das Kohlenstoffmaterial durch Tauchbeschichten aufgebracht werden. In einem noch anderen Beispiel kann das Kohlenstoffmaterial durch Walzenauftrag aufgebracht werden.
In manchen Beispielen kann das Beschichtungsmaterial ferner ein nicht leitendes Material, etwa ein Metalloxid (zum Beispiel TiO2 etc.) oder hydrophile Kunststoffbeschichtungen (zum Beispiel SPEEK, PFSA etc.) umfassen. Die nicht leitende Beschichtung kann aufgetragen werden, um in manchen Ausführungsformen die Hydrophilie des Kunststoffnetzes zu steigern. Weiterhin kann eine erhöhte Hydrophilie zulassen, dass durch die Nebenreaktionen 3 und 4 erzeugten Wasserstoffblasen nicht in dem Kunststoffnetz zurückgehalten werden.
Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode zeigt eine gleichmäßige Abdeckung mit Kohlenstoffbeschichtung, wie in 3A und 3B veranschaulicht ist. Die Nutzung des Kunststoffnetzes reduziert die Menge teurer leitender Materialien, etwa von Kohlenstofffaser oder Titan, die derzeit in IFB-Systemen verwendet werden, während die Kinetik der Redox- und Plattierungsreaktionen aufgrund der größeren Fläche und Leitfähigkeit der Kohlenstoffbeschichtung beibehalten wird, was während Plattierung eine große Speicherung von Metall ermöglicht. Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode kann als die Plattierungselektrode und/oder Redoxelektrode verwendet werden.
Bezüglich 4 zeigt diese Figur einen Graph, der die Negativelektrodenleistung von Kunststoffnetzelektroden verglichen mit einer Ti-Netz-Baseline darstellt. Ein nicht beschichtetes Kunststoffnetz 408 und zwei Arten von Kohlenstoffbeschichtungen, die auf einem Kunststoffnetz (402, 404) aufgebracht sind, werden verglichen mit der Ti-Netz-Baseline 406 gezeigt. Die X-Achse der grafischen Darstellung (CD) stellt Stromdichte dar und wird in mA/cm2 gemessen, während die Y-Achse der grafischen Darstellung (V) Leistung der Plattierungselektrode bezüglich des erreichten Überpotenzials darstellt. Die Plattierungselektrodenleistung wird hinsichtlich einer Ag/AgCI-Referenzelektrode gemessen, die in das negative Strömungsfeld eingesetzt ist. Die anfängliche Spannungsänderung bei niedriger Stromdichte kann Plattierungskinetiküberpotenzial angeben.
Wie in 4 gezeigt ist, ergibt sich das höchste Plattierungspotenzial aus der Konfiguration nur mit nicht beschichtetem Kunststoffnetz. Dies kann auf reduzierte Elektrodenfläche zurückzuführen sein, da das nicht beschichtete Kunststoffnetz nicht leitend ist.
Zwei Kunststoffnetze (1 und 2 (in 4 als 402 und 404 angegeben)), die in einer Ausführungsform mit Kohlenstofffarbe beschichtet sind, zeigen ein ähnliches oder gar kleineres Überpotenzial relativ zu der Baseline 406 des Ti-Netzes. Dies kann nahelegen, dass auf diesen beschichteten Kunststoffnetzen relativ zur Fläche der Ti-Baseline eine ähnliche oder stärker leitende Fläche vorhanden sein könnte. Bei einer Region höherer Stromdichte kann Leistungsverlust durch ohmschen Widerstandsverlust vorangetrieben werden, welcher ein kombiniertes Ergebnis von Netzwiderstand und Elektrolytwiderstand in dem Netz sein kann. Der ohmsche Widerstand kann daher ein kombiniertes Ergebnis von Elektrolytleitfähigkeit, offener Netzfläche, Netzdicke und elektrischem Widerstand des Netzes sein.
Unter Verweis nun auf 5 werden in dieser Figur die Drücke in der Kammer für die negative Elektrode während Betrieb mit einem nicht beschichteten hydrophoben Kunststoffnetz und einem beschichteten, leitenden und hydrophilen Kunststoffnetz verglichen. An der IFB-Batterie wurden in einem Beispiel Druckwandler eingebaut, um Unter- und Überdrücke des Elektrolyten des IFB während Zyklusbetrieb zu kennzeichnen. Während der anfänglichen Ladung kann Unterdruck wie gezeigt aufgrund von Wasserstofferzeugung zunehmen. Unter den gleichen Betriebsbedingungen war dieser Druckanstieg 504 bei einem nicht beschichteten hydrophoben Kunststoffnetz signifikant höher als bei dem gleichen Netz mit einer hydrophilen Beschichtung 502, wie in 5 gezeigt ist. Ferner baute sich von Zyklus zu Zyklus der Innendruck des nicht beschichteten Kunststoffnetzes auf, was nahelegt, dass von Zyklus zu Zyklus Wasserstoffblasen nicht effektiv herausgespült worden sein könnten. Wurde dieses Netz mit einer hydrophilen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet, wurde jedoch der Netzkontaktwinkel mit DI-Wasser von >90 auf unter 45o reduziert. Die gleiche Batterie war daher in der Lage, bei einem viel niedrigeren und wiederholbareren Druckbereich zu arbeiten, was anzeigen kann, dass während der Zyklusausführung der erzeugte Wasserstoff effektiv herausgespült wurde. Dieses Spülen von Wasserstoffgas kann bei dem Betrieb der Batterie wichtig sein, da bei nicht effektivem Herausspülen von Wasserstoffgas die aktive Fläche der Batterie reduziert sein kann. Die Batterieleistung kann daher reduziert sein, während sie eine effektiv höhere Betriebsstromdichte aufweist. Weiterhin kann auch das Batterieplattierungsvolumen reduziert sein, was durch das in 6 bereitgestellte Bild weiter veranschaulicht werden kann.
6 zeigt ein Bild der vorstehenden nichtbeschichteten Plattierungselektrode, wenn die Batterie vollständig geladen sein könnte. Die transparente Netzstruktur 602 der Figur zeigt das nicht beschichtete Kunststoffnetz einer Ausführungsform. Die dunkle Fläche unter dem Netz ist das plattierte Eisen 606, das auf das Kunststoffnetz plattiert ist. Die in der Figur gekennzeichneten ungleichmäßigen bläschenartigen Strukturen 604 zeigen eine Verformung des Plattierungseisens 606, die durch Wasserstoffblasen, die während der Ladung der Batterie zurückgehalten werden, zurückbleibt. Weiterhin zeigt das Bild nicht nur, dass in dem Netz Wasserstoffblasen zurückgehalten wurden, es deutet auch an, dass um die Wasserstoffblase 604 Eisenplattierung 606 auftrat. Diese uneinheitliche Plattierung kann für die negative Elektrode ein Problem darstellen, da zunächst die zurückgehaltenen Wasserstoffblasen das für Plattierung verfügbare Gesamtvolumen reduzieren können und die Blasen die aktive Fläche auf der Plattierungselektrode effektiv reduzieren können, was zu ungleichmäßiger Plattierung und sogar lokalem Kurzschluss aufgrund lokal übermäßigem Plattieren führen kann.

Unter Verweis auf 7 ist eine Darstellung der Verwendung eines beschichteten Kunststoffnetzes als Redox- oder Plattierungselektrode in einer IFB gezeigt. 702 bezeichnet die Strömungsplattenkanäle, in denen Elektrolyte in die IFB-Batterie hinein und aus dieser heraus geleitet werden. 706 bezeichnet die Redox- oder Plattierungselektrode, bei der es sich um Kohlepapier oder Ti-Netz oder beschichtete Kunststoffnetzmaterialien handeln könnte. 704 bezeichnet den Membranseparator, der die Kammern für die positive und die negative Elektrode trennt. Der ohmsche Widerstand der Elektrode ist der kombinierte Ionenwiderstand und elektrische Widerstand von 706, wobei der Ionenwiderstand durch spezifischen Elektrolytwiderstand, offene Netzfläche und Netzdicke ermittelt wird, während der elektrische Widerstand durch Beschichtungsart, Dicke und Netzdrahtgröße ermittelt wird. Bei Verwenden einer nicht leitenden Beschichtung ist der ohmsche Widerstand von 706 nur der Ionenwiderstand durch den Elektrolyten. Die Maße der beschichteten Kunststoffnetzelektrode können für Arbeiten in einer Redox-Flow-Batterie optimiert werden. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt beispielsweise eine Liste von Flächeninhalt (mm2), offener Fläche, offenem Volumen und Netzdicke (mm) von in einem IFB-System getesteten kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektroden verglichen mit Metall-Ti-Netz-Elektroden. Tabelle 1:

Netzart	Netz-ID	Zusätzliche Fläche	Offene Fläche	Offenes Volumen	Netzdicke
		[mm2/cm2]	%	%	[mm]
Metall	Ti	124,55	64%	84%	0,56
Kunststoff	51PP Mesh	264,80	34%	67%	0,43
	121PP Mesh	385,74	15%	52%	0,33
	125PP Mesh	314,38	25%	61%	0,20
	WP0200	293,58	28%	63%	0,36
	WP0300	221,02	42%	72%	0,33
	WP0350	254,43	35%	68%	0,48
	XN4800	125,89	64%	84%	0,50

Die kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektroden können so hergestellt werden, dass sie Maße liefern, die denen der derzeitigen Metallelektroden ähnlich sind. Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode lässt weitere Verbesserungen der in Tabelle 1 gezeigten Maße zu, um Leistung zu optimieren. Beispielsweise kann die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode zur Verwendung als Elektrode ein offenes Volumen von 10% bis 70%, eine Dicke zwischen etwa 0,20 mm bis etwa 0,50 mm und eine offene Fläche von 15% bis 65% aufweisen. Wie in der vorliegenden Offenbarung verwendet umfasst der Begriff zusätzliche Bereiche, die leicht über oder unter einem Wert liegen, ohne die physikalischen Eigenschaften oder resultierenden Eigenschaften des Materials zu ändern. Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode kann für Leitfähigkeit, Plattierungsfläche etc. optimiert werden.
Unter Verweis auf 8 wird ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer beschichteten Kunststoffnetzelektrode vorgesehen, welches jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Das Verfahren kann eine Elektrode zur Verwendung in einer IFB-Redox-Flow-Batterie vorsehen, welches das Herstellen eines Kunststoffnetzes, das Behandeln des Kunststoffnetzes und das Beschichten des Kunststoffnetzes umfasst. Die hergestellte Elektrode kann in der IFB-Redox-Flow-Batterie als positive Elektrode oder negative Elektrode verwendet werden.
Bei 802 kann das Verfahren das Erhalten von Ausgangsmaterialien umfassen. Beispielsweise können das Kunststoffnetz und Kohlenstoffmaterial erhalten werden. In einem Beispiel kann das Kunststoffnetz aus Polypropylen hergestellt werden. In einem anderen Beispiel kann das Kunststoffnetz aus Polyolefin hergestellt werden. Das Beschichtungsmaterial kann leitend sein, etwa eine Kohlenstofffarbe. Beispielsweise kann die Kohlenstofffarbe eine oder mehrere von: Electrodag, C220, CM120-24 und CM112-48 sein. Das Beschichtungsmaterial kann weiterhin ein nicht leitendes Material umfassen, etwa ein Metalloxid oder ein hydrophiles Polymer. Beispielsweise kann es sich bei einem Metalloxid um TiO2 handeln, und bei einem hydrophilen Polymer kann es sich um SPEEK oder PFSA handeln.
Bei 804 kann das Verfahren das Erhalten eines Kunststoffnetzes umfassen. Das Kunststoffnetz kann einen Flächeninhalt, eine offene Fläche, ein offenes Volumen und eine Dicke umfassen, die für Elektrodenleistung optimiert ist. Beispielsweise kann das Kunststoffnetz so gewählt werden, dass die in der vorstehenden Tabelle 1 aufgeführten Maße umfasst. Das erhaltene Kunststoffnetz kann aus Polypropylen, Polyolefin etc. hergestellt werden und kann unipolar, bipolar oder gewebt sein.
Bei 806 kann das Verfahren das Behandeln des bei 804 hergestellten Kunststoffnetzes umfassen. Das Behandeln des Kunststoffnetzes kann erfolgen, um die Adhäsion des folgenden Beschichtungsschritts 808 zu verbessern. In manchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Behandeln des hergestellten Kunststoffnetzes, um die Adhäsion der Kohlenstoffbeschichtung zu verbessern. In anderen Ausführungsformen könnte das Verfahren nicht das Behandeln des hergestellten Kunststoffnetzes zum Verbessern von Adhäsion umfassen. In einem Beispiel kann das Behandeln des Kunststoffnetzes mithilfe einer Lösungsmittelbehandlung erfolgen. In einem anderen Beispiel kann das Behandeln des Kunststoffnetzes mithilfe einer Plasmabehandlung erfolgen.
Zum Verbessern der Adhäsion von Beschichtungen an Kunststoffen können verschiedene Oberflächenbehandlungen verwendet werden, einschließlich Beflammung und Corona, mechanischer Abrieb, Lösungsmittelreinigung oder -quellung, gefolgt von nasschemischem Ätzen oder Auftrag spezialisierter Beschichtungen in Form von chemischen Primern oder eine Kombination davon. Zusätzliche Behandlungen, etwa Behandlungen mit hoher Energiedichte wie Ultraviolett(UV)-Strahlung, Elektronenstrahl- und Kaltgasplasmaverfahren und Kombinationen derselben können ebenfalls verwendet werden. Die vorstehend beschriebenen Verfahren haben für Substratoberflächenmodifizierung in größerem Maßstab größere Akzeptanz gefunden. Diese Verfahren können ein Medium vorsehen, das reich an reaktiven Spezies ist, etwa energetische Photonen, Elektronen, freie Radikale und Ionen, welche wiederum mit der Polymeroberfläche interagieren können, was deren Chemie und/oder Morphologie ändert. Diese Prozesse können mühelos übernommen werden, um Oberflächeneigenschaften von Kunststoffnetzen abzuwandeln.
Bei 808 umfasst das Verfahren das Beschichten des Kunststoffnetzes mit einem ausgewählten Material. In einem Beispiel kann das Beschichten des Kunststoffnetzes mit dem Kohlenstoffmaterial durch Airbrushing erfolgen. In einem anderen Beispiel kann das Beschichten des Kunststoffnetzes mit dem Kohlenstoffmaterial durch Tauchbeschichten erfolgen. In einem noch anderen Beispiel kann das Beschichten des Kunststoffnetzes mit dem Kohlenstoffmaterial durch Walzenauftrag erfolgen. Die Beschichtungsdicke kann für Leitfähigkeit und/oder Plattierung optimiert werden. Die Beschichtung kann eine Wärmebehandlung zum Härten und Beseitigen von etwaigen Lösungsmitteln erfordern.
Bei 810 kann das Verfahren die beschichtete Kunststoffelektrode erhalten. Die beschichtete Kunststoffelektrode kann als Plattierungselektrode und/oder Redoxelektrode in Redox-Flow-Batteriesystemen genutzt werden. Dann kann das Verfahren enden.
Somit kann eine Elektrode zur Verwendung in einem Redox-Flow-Batteriesystem hergestellt werden. Das vorstehende beispielhafte Verfahren kann genutzt werden, um die Elektrode herzustellen, wobei die Elektrode eine neuartige kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode ist, die Batterieleistung verbessert und Kosten reduziert. Die Nutzung von kostengünstigen Kunststoffmaterialien, welche der derzeitigen Sichtweise abweicht, da Kunststoffe in derzeit genutzten Elektrolytsystemen nicht stabil sind, führt zu der neuartigen kohlenstoffbeschichteten kunststoffnetz-basierten Elektrode zur Verwendung in IFB-Systemen. Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode kann an der Position der negativen Elektrode und/oder der Position der positiven Elektrode eines Redox-Flow-Batteriesystems verwendet werden.
Unter Verweis auf 9 wird die Leistung von mehreren kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetz-Elektroden verglichen mit einer Ti-Netz-Kontrollelektrode gezeigt. In 9 sehen die Polarisierungsdiagramme der kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektroden 904, 906 und 908 eine verbesserte oder ähnliche Stromdichte ./. Spannungsreaktion verglichen mit der Ti-Netz-Kontrollelektrode 902 vor. Die unbeschichtete Kunststoffnetzelektrode 912 zeigt verglichen mit der Ti-Netz-Kontrollelektrode 902 und den kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektroden 904, 906 und 908 eine niedrigere Spannungsreaktion. Die Electrodag-Elektrode 910 zeigt verglichen mit den anderen kohlenstoffbeschichteten Netzelektroden bei niedrigen Stromdichten gute Spannung und bei höheren Stromdichten niedrigere Spannung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kohlenstoffbeschichtung die Leitfähigkeit der kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektrode verglichen mit einer nicht beschichteten Kunststoffnetzelektrode 912 verbessert. Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode sieht somit eine kostengünstige Alternative zur Verwendung in Redox-Flow-Batterien vor, die die Stromdichte verglichen mit derzeit genutzten Elektrodenmaterialien verbessert oder wahrt.
Unter Verweis auf 10 ist die Zyklusleistung einer kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektrode dargestellt. Die Ti-Netz-Kontrollelektrode 1002 und die Ti-Vakuumelektrode 1016 sind als Baseline mitaufgenommen. Die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode wurde über 100 Zyklen lang genutzt und die Leistung überwacht. Die Polarisationen von kohlenstoffbeschichteten Kunststoffnetzelektroden wurden bei 1 Zyklus, 24 Zyklen, 48 Zyklen, 72 Zyklen, 96 Zyklen und 120 Zyklen bei 1004, 1006, 1008, 1010, 1012 bzw. 1014 aufgetragen. Aus 10 ist ersichtlich, dass die kohlenstoffbeschichtete Kunststoffnetzelektrode verglichen mit der Ti-Vakuumelektrode 1016 die Stromdichte ./. Spannungsreaktion beibehält sowie verglichen mit der Ti-Netz-Kontrollelektrode 1002 eine verbesserte Reaktion aufzeigt.
Nachteile von Konfigurationen von negativen Elektroden von Redox-Flow-Batterien (z.B. Plattierungselektrode) mit einer IDFF-Flow-Konfiguration und Titannetz umfassen hohe Kosten, unzureichende Plattierungsdichte und Gasblaseneinschluss. Eine unzureichende Plattierungsdichte verhindert, dass das Redox-Flow-Batteriesystem eine ausreichend hohe Batterieladekapazität erreicht. Konfigurationen negativer Elektroden mit IDFF-Flow-Konfigurationen und Ti-Netz sind beispielsweise nicht in der Lage, über acht Stunden Ladekapazität zu bieten, während Kostenmetrik und Batterieleistungsmetrik (reduzierte Verluste während Lade-/Entladezyklisieren und dergleichen) bei Redox-Flow-Batterieanwendungen erwünscht ist. Weiterhin kann ein Gasblaseneinschluss die zugängliche Plattierungsfläche der Elektrode reduzieren und kann das plattierte Elektrodenmaterial verspröden, wodurch die Batterieladungskapazität reduziert und die Elektrode degradiert wird.
Um Herstellungskosten zu senken, können Redox-Flow-Batterien für Arbeiten bei höheren Stromdichten ausgelegt werden. Beispielsweise kann ein Redox-Flow-Batteriesystem, das mit einer Stromdichte von 60 mA/cm2 arbeitet, ein Viertel der Anzahl an Batteriezellen wie ein Redox-Flow-Batteriesystem, das bei 15 mA/cm2 arbeitet, aufweisen. Redox-Flow-Batterien, die bei höheren Stromdichten arbeiten, können aber zusätzliche Probleme bei der Konzeption eines Redox-Flow-Batteriesystems aufwerfen. Beispielsweise können bei höheren Plattierungsstromdichten Plattierungsspannungen zunehmen, was zu stärker beanspruchten und spröderen Plattierungselektroden führt. Zusätzlich kann ein Redox-Flow-Batteriesystem mit höheren Flüssigelektrolyt-Durchsätzen genutzt werden, um eine Versorgung mit der höheren Stromdichte zu ermöglichen; weiterhin kann ein größerer Elektrodenabstand so ausgelegt werden, dass er die höheren Durchsätze bewältigt. Der Elektrodenabstand für eine Redox-Flow-Batteriezelle umfasst eine repräsentative Länge, die wie durch Gleichung (5) gezeigt aus dem Verhältnis der Stromdichte zur Ladung pro Metallion, das an der Elektrode plattiert wird, berechnet wird. $E l e k t r o d e n a b s t a n d [c m] = \frac{T * M * J}{ρ * n * F}$
wobei T = Zeit (s); M = Molmasse (g/mol); J = Stromdichte (A/cm2); r = Dichte des Plattierungsmetalls (g/cm3); n = Anzahl von Elektronen pro Mol plattierten Metalls; F = Faradaysche Konstante (96485,3365 C/mol). Die Stromdichte kann beruhend auf der aktiven Fläche der Elektrode, A (cm2), ermittelt werden. Im Fall einer Eisen-Redox-Flow-Batterie ist das Plattierungsmetall Eisen und die Anzahl an Elektronen pro Mol plattierten Eisens liegt bei 2. Die Batterieladung und die Plattierungsdichte werden wie in Gleichungen (6) bzw. (7) gezeigt berechnet. $L a d u n g [\frac{C}{c m^{2}}] = J * T$
$P l a t t i e r u n g s d i c h t e [\frac{m A h}{c m^{2}}] = L a d u n g * \frac{1000}{3600}$
Zusätzlich zum Bewältigen der höheren Durchsätze bei gleichzeitigen Vorsehen von höheren Stromdichten kann der Abstand der Redox-Flow-Batterie-Elektrode weiter vergrößert werden, um ein ausreichendes Spülen eines Gases, das in dem Strömungsfeld des negativen Elektrolyten und an der Oberfläche der negativen Elektrode entsteht, zu ermöglichen. Beispielsweise kann, wie vorstehend unter Verweis auf Gleichungen (3) und (4) beschrieben Wasserstoffgas während der Reduktion von Wasserstoffprotonen H+ (Gleichung (3)) und der Korrosion von abgeschiedenem Eisenmaterial (Gleichung (4)) erzeugt werden. Das Entfernen von Wasserstoffgas kann beim Mindern von Batterieelektrodendegradation helfen, da das Vorhandensein von Wasserstoff an der negativen Elektrode die aktive Fläche der Elektrode, die für Plattierung zugänglich ist, reduzieren kann und das plattierte Metall daran verspröden kann. Die Leistungsmetrik von Redox-Flow-Batteriesystemen kann aufgrund erhöhter ohmscher Verluste, die linear mit Strom und Elektrodenabstandgröße skalieren können, leiden; der Elektrodenabstand kann nicht einfach grenzenlos vergrößert werden, um höhere Stromdichten zu bewältigen und ausreichendes Gasspülen zu ermöglichen.
Unter Verweis nun auf 16, 17A-D, 20A und 20B zeigen diese strukturelle Merkmale von Konfigurationen negativer Elektroden, die beim Reduzieren einer Stromdichteverteilungsvarianz gegenüber herkömmlichen Konstruktionen helfen können, während höhere Batteriekapazität bewältigt wird, Herstellungskosten gesenkt werden, Redox-Flow-Batterieleistung gewahrt wird und Gasblaseneinschluss in dem Elektrolytströmungsfeld nahe der Oberfläche der Elektrode verringert wird. Die Konfigurationen sind relativ zu einer dreidimensionalen x-y-z-Koordinatenachse dargestellt, wobei die x-Achse in einer Breitenrichtung ausgerichtet ist, die y-Achse in einer Längsrichtung ausgerichtet ist und die z-Achse in einer Höhen- oder Dickenrichtung der Elektrodenstapelanordnung ausgerichtet ist. Die z-Achse bezeichnet eine Querachse, die senkrecht zur x-y-Ebene jeder Schicht der Elektrodenstapelanordnung ist.
Bei einem Redox-Flow-Batteriesystem kann eine negative Elektrode in einer Elektrodenstapelanordnung 2000 positioniert werden, wie in 20A gezeigt ist. Die Elektrodenstapelanordnung 200 kann eine elektrisch isolierende ionenleitende Sperrschicht 2020 umfassen, etwa eine lonenaustauschmembran. An einer positiven (Redox-)Seite der Membran können eine positive (Redox-)Strömungsfeldplatte 2010 und eine positive (Redox-)Elektrode platziert werden. Die positive Elektrode kann benachbart zu der Membran positioniert werden, um Wanderung von Ionen über die Membran zur negativen (Plattierungs-)Seite der Stapelanordnung zu erleichtern. Auf diese Weise ist die positive Elektrode zwischen die positive Strömungsfeldplatte und die Membran gesetzt und das positive Elektrolytströmungsfeld ist sandwichartig zwischen die positive Strömungsfeldplatte und die positive Elektrode gesetzt. Die positive Strömungsfeldplatte 2010 kann eine ineinandergreifende Strömungsfeldplatte, einschließlich Rippen 2012 der ineinandergreifenden positiven Strömungsfeldplatte umfassen. In anderen Beispielen kann die positive Strömungsfeldplatte 2010 andere Konfigurationen von gerippten Strömungsfeldplatten umfassen, etwa eine serpentinenartige Strömungsfeldplatte mit nicht ineinandergreifenden Rippen 2012 der positiven Strömungsfeldplatte. Ein Beispiel einer ineinandergreifenden Strömungsfeld(IDFF-)platte 1800 ist in 18 gezeigt, mit ineinandergreifenden Rippen 1812 und 1822 zum Leiten von Elektrolytströmung an der positiven Seite der Membran. Insbesondere kann der Elektrolyt von einem Einlass 1810 zu einem Auslass 1820 der positiven Strömungsfeldplatte 2010 gelenkt werden. Wie in der Querschnittansicht 1850 der ineinandergreifenden positiven Strömungsfeldplatte gezeigt ist, kann eine Elektrolytströmung (durch den Pfeil 1830 angedeutet) von den ineinandergreifenden Einlasskanälen der ineinandergreifenden Rippen 1812 zu den Auslasskanälen der ineinandergreifenden Rippen 1822 mittels der porösen positiven Elektrode 1840 erfolgen, so dass eine erzwungene Konvektion des Elektrolyten vorgesehen wird. In anderen Beispielen kann die positive Strömungsfeldplatte eine Nicht-IDFF-Strömungsplatte sein, etwa eine serpentinenartige Strömungsplatte, eine Spiralströmungsplatte, eine Stiftströmungsplatte oder eine Parallelströmungsplatte mit nicht ineinandergreifenden Rippen. Aufgrund der Kanäle blinden Endes kann das IDFF-Strömungsfeld vorteilhaft sein, da Elektrolytfluide gründlicher über das Strömungsfeld verteilt werden können, wobei die ineinandergreifenden Kanäle blinden Endes vor dem Diffundieren durch die poröse positive Elektrode 1840 von den Einlasskanälen zu den Auslasskanälen gefüllt werden.
An der negativen (Plattierungs-)Seite der Elektrodenstapelanordnung (z.B. der negativen Seite der Membran 2020) ist ein negatives Elektrolytströmungsfeld sandwichartig zwischen die Membran 202 und eine Konfiguration einer negativen Elektrode gesetzt, welche eine flache negative Strömungsfeldplatte 2040, auf welcher während des Ladens der Batterie Metall plattiert wird, und einen nicht leitenden Negativelektrodenabstandshalter 2026 (z.B. Plattierungselektrodenabstandshalter) umfasst. Da der Negativelektrodenabstandshalter 2020 nicht leitend und ohne eine leitende Beschichtung ist, kommt es darauf während Batterieladens nicht zu Metallplattierung. Der Negativelektrodenabstandshalter 2020 kann jedoch durch Unterstützen bei einer gleichmäßigeren Verteilung von Elektrolytionen von der Membran 2020 zu der negativen Strömungsfeldplatte 2040 und dadurch Reduzieren von Stromdichteverteilungsvarianz daran das Plattieren an der negativen Strömungsfeldplatte 2040 erleichtern. Der Negativelektrodenabstandshalter 2026 unterstützt weiterhin ein physisches Stützen des Strömungsfelds des negativen Elektrolyten zwischen der Membran 2020 und der negativen Strömungsfeldplatte 2040, was dazu beitragen kann, höhere Elektrolytdurchsätze zu wahren, um höhere Ladestromdichten und Gasspülungsraten aufrechtzuerhalten. Da die negative Strömungsfeldplatte 2040 flach ist, gibt es kein definiertes Strömungsfeld des negativen Elektrolyten. Auf diese Weise kann ein Elektrodenabstand zwischen der negativen Elektrode und der negativen Strömungsfeldplatte gegenüber Systemen mit nicht flacher negativer Strömungsfeldplatte vergrößert werden und es können höhere Elektrolytströme gleichzeitig mit höheren Stromdichten bewältigt werden. Die flache negative Strömungsfeldplatte erleichtert auch verstärktes Spülen von Gas, etwa Wasserstoffgas, das während der chemischen Reaktionen des Ladens und Entladens entsteht (siehe Gleichungen (3) und (4)), relativ zu nicht flachen Strömungsfeldplatten, wodurch die aktive Elektrodenfläche für Plattieren beibehalten wird, ein Verspröden des plattierten Metalls reduziert wird und Batterieleistung vergrößert wird.
Wie in 20A gezeigt ist, umfasst die Konfiguration der negativen Elektrode einen Negativelektrodenabstandshalter 2026, der an der zur Membran weisenden Seite der negativen Strömungsfeldplatte 2040 positioniert ist. Der Negativelektrodenabstandshalter 2026 der Konfiguration der negativen Elektrode kann mit anderen Worten zwischen die Membran 2020 und die negative Strömungsfeldplatte 2040 gesetzt werden. Der Negativelektrodenabstandshalter 2026 kann eine Anordnung von Hauptrippen 2030, die an der positiven Seite der Membran 2020 paralleler zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 der positiven Strömungsfeldplatte ausgerichtet sind, und eine Anordnung von Stützrippen 2032, die an der positiven Seite der Membran 2020 eher quer zu den Hauptrippen 2030 und eher quer zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 ausgerichtet sind, umfassen. Wie vorstehend unter Verweis auf 18 beschrieben können die positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 der positiven Strömungsfeldplatte 2010 ineinandergreifende Rippen umfassen; in anderen Beispielen kann die positive Strömungsfeldplatte 2010 aber nicht ineinandergreifende Rippen umfassen, etwa in dem Fall einer parallelen Strömungsfeldplatte oder einer serpentinenartigen Strömungsfeldplatte.
An dem Negativelektrodenabstandshalter 2026 der Konfiguration der negativen Elektrode kann jede der Stützrippen 2032 mit jeder der Hauptrippen 2030 quer verbunden sein. In manchen Beispielen können sich die Hauptrippen 2030 weg oder distal von den Stützrippen 2032 und der Membran 2020 erstrecken, so dass die Stützrippen 2032 relativ zu den Hauptrippen 2030 proximal der Membran 2020 positioniert sind. Die Hauptrippen 2030 können eine feste monolithische Struktur mit einem gleichmäßigen Querschnitt in einer Längsrichtung (y-Richtung) umfassen, wobei die Längsrichtung parallel zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen ist, wie in den Querschnittansichten der Elektrodenstapelanordnungen von 20A und 20B gezeigt ist.
Zusätzlich zu einem paralleleren Ausrichten zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 der positiven Strömungsfeldplatte 2010 können die Hauptrippen 2030 ferner gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 über die Membran 2020 ausgerichtet sein. Somit werden bei Pressen der negativen Strömungsfeldplatte 2040 und der positiven Strömungsfeldplatte 2010 hin zur Membran 2020 die Hauptrippen 2030 von den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 über die Membran gegenüberliegend ohne Ausbeulen und ohne Ändern der Form und Maße der Strömungsfelder des positiven und negativen Elektrolyten gelagert. Die Hauptrippen 2030 bieten den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 mit anderen Worten strukturelle Lagerung und umgekehrt, so dass bei Pressen der Elektrodenstapelanordnung 200 während Montage und Betrieb des Redox-Flow-Batteriesystems die Strömung und Form des Strömungsfelds des positiven Elektrolyten zwischen der positiven Strömungsfeldplatte 2010 und der positiven Elektrode 2016 und des Strömungsfelds des negativen Elektrolyten zwischen der negativen Strömungsfeldplatte 2040 und dem Abstandshalter der negativen Elektrode 2026 nicht wesentlich eingeschnürt oder geändert werden. Das Ausrichten der Hauptrippen 2030 gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 der positiven Stützplatte kann das Positionieren der Hauptrippen 2030 in einer negativen Stützregion gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012, die in einer positiven Stützregion positioniert sind, umfassen. Die negative Stützregion kann den Maßen in Breitenrichtung (z.B. in der x-Richtung) der Hauptrippe 2030 entsprechen, wie durch die gestrichelten Linien 2038 gezeigt ist. Die positive Stützregion kann den Maßen in Breitenrichtung (z.B. in der x-Richtung) der positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 entsprechen, wie durch die gestrichelten Linien 2018 gezeigt ist.
Das Positionieren der Hauptrippe 2030 gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 kann umfassen, dass die Grenzen der negativen Stützregion (z.B. Strichlinien 2038) innerhalb der Grenzen der positiven Stützregion (z.B. Strichlinien 2018) liegen. In dem Fall, dass die Grenzen der negativen Stützregion (z.B. Strichlinien 2038) breiter sind als die Grenzen der positiven Stützregion (z.B. Strichlinien 2018), kann das Positionieren der Hauptrippe 2030 gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 umfassen, dass die Grenzen der positiven Stützregion (z.B. Strichlinien 2018) innerhalb der Grenzen der negativen Stützregion (z.B. Strichlinien 2038) liegen. Somit kann das Positionieren der Hauptrippen 2030 gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 das Zentrieren der Hauptrippe 2030 gegenüber der positiven Strömungsfeldplatte 2012 umfassen, so dass die positive Stützregion in der negativen Stützregion zentriert ist oder dass die negative Stützregion in der positiven Stützregion zentriert ist. In dem Fall, da die Hauptrippen parallel zu den positiven Strömungsfeldrippen ausgerichtet sind, kann weiterhin das Positionieren der Hauptrippen 2030 gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 das Positionieren jeder der negativen Stützregionen parallel zu einer der positiven Stützregionen umfassen. Auf diese Weise kann die Elektrodenstapelanordnung genügend physischer Kompression standhalten, so dass die Strömungsverteilung des positiven und negativen Elektrolyten über die positive Strömungsfeldplatte und die negative Strömungsfeldplatte während Betrieb und Montage des Redox-Flow-Batteriesystems beibehalten werden können. Das Positionieren der Hauptrippe 2080 so, dass die Grenzen (z.B. Strichlinien 2088) der negativen Stützregion außerhalb der Grenzen (z.B. Strichlinien 2068) der positiven Stützregion liegen, wie in 20B gezeigt ist, kann das Risiko eines Ausbeulens oder Verformung der Strömungsfelder des positiven und negativen Elektrolyten steigern, was Plattierungskapazität, Plattierungsqualität, Ionentauschraten und Elektrolytströme mindern kann, wodurch die Redox-Flow-Batterieleistung degradiert wird.
In einem anderen Beispiel können die Hauptrippen 2030 gegenüber den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 positioniert sein, so dass die negative Stützregion und die positive Stützregion einander teilweise überlappen. Ein teilweises Überlappen der negativen Stützregion und der positiven Stützregion kann das Positionieren der Hauptrippen 2030 gegenüberliegend zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 umfassen, so dass der Teil der negativen Stützregion innerhalb der Grenzen der positiven Stützregion größer als eine Schwellenüberlappung ist. In einem Beispiel kann die Schwellenüberlappung das Positionieren der Hauptrippen 2030 gegenüberliegend zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 umfassen, so dass mehr als die Hälfte (z.B. mehr als 50%) der negativen Stützregion innerhalb der Grenzen der positiven Stützregion liegt. Ein teilweises Überlappen der negativen Stützregion und der positiven Stützregion um weniger als die Schwellenüberlappung kann ein Risiko des Ausbeulens und Einschnürens der Strömungsfelder des negativen und positiven Elektrolyten und Beschädigens der positiven Elektrode erhöhen. Wie vorstehend beschrieben können die positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 ineinandergreifend, serpentinenartig, parallel sowie andere Konfigurationen sein. Somit können eine Anzahl, eine Teilung (Abstand) und ein Maß in Breitenrichtung (z.B. in einer x-Richtung) der Hauptrippen 2030 des Negativelektrodenabstandshalters 2026 so gewählt werden, dass sie ein gegenüberliegendes Ausrichten und Positionieren der Hauptrippen 2030 mit den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 erleichtern. Die Positionierung, die Hauptrippenteilung und die Hauptrippenmaße können mit anderen Worten entsprechend gewählt und beruhend auf der Konstruktion und Konfiguration der positiven Strömungsfeldplatte angepasst werden, um das Beladen und Zusammenpressen der Strömungsfelder des positiven und negativen Elektrolyten ausreichend zu stützen.
Unter Verweis nun auf 16 kann eine beispielhafte Konfiguration für einen Negativelektrodenabstandshalter 1600 mehrere Hauptrippen 1620, die paralleler zu einer Elektrodenlänge 1602 (z.B. y-Richtung) ausgerichtet sind, und mehrere Stützrippen 1640, die paralleler zu einer Elektrodenbreite 1604 (z.B. x-Richtung) ausgerichtet sind, umfassen. Auf diese Weise können die Stützrippen quer zu den Hauptrippen 1620 ausgerichtet werden, und die Hauptrippen 1620 können über die Membran 2020 paralleler zu den positiven Strömungsfeldplattenrippen 2012 ausgerichtet werden. In dem Fall des beispielhaften Negativelektrodenabstandshalters 1600, der in 16 gezeigt ist, bei dem die Hauptrippen 1620 senkrecht zu den Stützrippen 1640 sind, ist die Hauptrippenlänge durch die Länge 1602 des Elektrodenabstandshalters vorgegeben, und die Stützrippenlänge ist durch die Breite 1604 des Elektrodenabstandshalters vorgegeben. Wie bei dem beispielhaften Negativelektrodenabstandshalter 1600 gezeigt ist, kann eine Anzahl von Hauptrippen 1620 größer als eine Anzahl von Stützrippen 1640 sein. In anderen Fällen kann die Anzahl an Hauptrippen 1620 kleiner als eine Anzahl von Stützrippen 1640 sein. Das Verringern einer Anzahl von Stützrippen 1640 kann das Vergrößern einer funktionellen Elektrodenaktivfläche vergrößern, wodurch die Plattierungskapazität vergrößert und eine Varianz einer Stromdichteverteilung über der Elektrode während Laden und Entladen der Redox-Flow-Batterie reduziert wird, wodurch ein Risiko von Kurzschluss und Elektrodendegradation reduziert wird. Die Hauptrippen 1620 und die Stützrippen 140 können steif und an ihren Schnittpunkten verbunden sein, wodurch eine regelmäßige Anordnung von gleichmäßig beabstandeten und gleich bemessenen Öffnungen 1630 in der Elektrode gebildet wird. Insbesondere können die Hauptrippen 1620 und die Stützrippen 1640 nicht verwebt zusammengefügt oder verbunden sein, um einen nicht gewebten Rahmen, Abstandshalter, Stütze, Strebe, Gerüst, Unterbau oder andere Art von Stützstruktur zu bilden, die einen Abstand zum Aufnehmen eines Strömungsfelds eines negativen Elektrolyten zwischen der Plattierungsströmungsfeldplatte und der Membran wahrt.
17A zeigt eine vergrößerte Draufsicht 1700 auf ein Detail A des Negativelektrodenabstandshalters 1600, das regelmäßige, gleichmäßig beabstandete und gleich bemessene Öffnungen 1630 in dem Negativelektrodenabstandshalter 1600 zeigt. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden benachbarten Hauptrippen, die Hauptrippenteilung 1704, und der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden benachbarten Stützrippen, die Stützrippenteilung 1702, legen die Anzahl von Verbindungen 1706 zwischen Hauptrippen und Stützrippen fest. Bei dem beispielhaften Negativelektrodenabstandshalter 1600 ist die Stützrippenteilung 1702 größer als die Hauptrippenteilung 1704, so dass eine für Plattieren verfügbare aktive Fläche vergrößert wird und Öffnungen 1630 entstehen, die in der Richtung der Elektrodenlänge 1602 länglich sind. In anderen Beispielen können die Stützrippenteilung 1702 und die Hauptrippenteilung 1704 äquivalent sein, was quadratische Öffnungen 1630 entstehen lässt, oder die Stützrippenteilung 1702 kann kleiner als die Hauptrippenteilung 1704 sein, was Öffnungen 1630 entstehen lässt, die in der Richtung der Elektrodenbreite 1604 länglich sind. Die Stützrippenteilung 1702 und die Hauptrippenteilung 1704 legen auch eine Öffnungsdichte (Fläche der Öffnungen: Fläche von Stützrippen und Hauptrippen) des Negativelektrodenabstandshalters 1600 fest. Die Stützrippenteilung 1702 und die Hauptrippenteilung 1704 können so gewählt werden, dass sie eine Öffnungsdichte vorsehen, die größer als eine Schwellenöffnungsdichte ist; die Schwellenöffnungsdichte kann einer Öffnungsdichte entsprechen, bei der eine ausreichende Elektrodenplattierung geträgert werden kann, um die erwünschte Kapazität der Redox-Flow-Batteriezelle zu bewältigen. Das Reduzieren der Öffnungsdichte (z.B. Vergrößern der Stützrippenteilung 1702 und das Vergrößern der Hauptrippenteilung 1704) unterhalb der Schwellenöffnungsdichte kann eine Plattierungskapazität des Negativelektrodenabstandshalters 1600 verringern, wodurch die Ladungs-/Entladungskapazität der Redox-Flow-Batteriezelle reduziert wird.
Die erwünschte Ladungs-/Entladungskapazität der Redox-Flow-Batteriezelle kann durch die erwünschte Energiekapazität des Redox-Flow-Batteriesystems ermittelt werden. Wenn beispielsweise eine erwünschte Batterieladungskapazität von 4 Std. auf 8 Std. erhöht wird, dann kann eine Öffnungsdichte so vergrößert werden, dass eine Plattierungskapazität des Negativelektrodenabstandshalters 1600 gesteigert wird. Das Vergrößern einer Öffnungsdichte kann eine Steifigkeit des Negativelektrodenabstandshalters 1600 reduzieren; somit kann die strukturelle Steifigkeit einer oder mehrerer der Hauptrippen 1620 und/oder einer oder mehrerer der Stützrippen 1640 als Reaktion auf das Vergrößern der Öffnungsdichte gesteigert werden. In einem Beispiel kann die strukturelle Steifigkeit des Negativelektrodenabstandshalters 600 durch Vergrößern einer Hauptrippendicke 1718 und/oder Stützrippendicke 1712 erhöht werden. Auf diese Weise kann die Kapazität der Redox-Flow-Batteriezelle gesteigert werden, während eine strukturelle Steifigkeit des Negativelektrodenabstandhalters 1600 beibehalten wird. Die Hauptrippendicke 1718 kann größer als die Stützrippendicke 1712 sein, oder die Hauptrippendicke 1718 kann kleiner als die Stützrippendicke 1712 sein. Eine Hauptrippendicke 1718, die größer als eine Stützrippendicke 1712 ist, kann das Vergrößern eines Abstands zwischen der Plattierungselektrode und der Plattierungsströmungsfeldplatte zum Aufnehmen eines höheren Durchsatzes von Plattierungselektrolyt unterstützen. Zusätzlich kann eine Hauptrippendicke 1718, die größer als eine Stützrippendicke 1712 ist, das Erhöhen einer strukturellen Steifigkeit der Plattierungselektrode unterstützen.
Unter Verweis nun auf 17B zeigt diese eine Querschnittansicht 1710 des Schnitts B-B von 17A. Wie vorstehend beschrieben können die Hauptrippen 1620 eher hin zu einer Substratseite (z.B. einer Seite der negativen Strömungsfeldplatte) 1719 des Negativelektrodenabstandshalters 1600 positioniert werden, wogegen die Stützrippen 1640 eher hin zu einer Membranseite 1711 des Negativelektrodenabstandshalters 1600 positioniert werden können. Die Hauptrippen 1620 können sich weg (in einer z-Richtung) erstrecken und können weg von der Membranseite 1711 der Stützrippen 1640 hin zur Substratseite 1719 ragen. Wie in dem Beispiel von 17B gezeigt ist, können sich die Hauptrippen 1620 von den Stützrippen 1640 um einen Abstand erstrecken, der durch eine Differenz der Hauptrippendicke 1781 und der Stützrippendicke 1712 festgelegt ist. Durch Erstrecken weg von den Stützrippen 1640 hin zu einer Substratseite 1719 des Negativelektrodenabstandshalters 1600 können die Hauptrippen 1620 eine aktive Plattierungsfläche an der negativen Elektrode vergrößern und der Elektrodenstapelanordnung strukturelle Abstützung bieten. Bei sandwichartigem Einsetzen der negativen Elektrode zwischen die Membran und die negative Strömungsfeldplatte unterstützen weiterhin die Hauptrippen 1620 das Reduzieren von Ausbeulen des Strömungsfelds des negativen Elektrolyten und wahren eine Strömung des negativen Elektrolyten in dem Strömungsfelds des negativen Elektrolyten. Wie vorstehend unter Verweis auf 17A beschrieben ist, kann das Vergrößern einer Stützrippendicke 1712 und/oder einer Hauptrippendicke 1718 das Erhöhen einer strukturellen Steifigkeit des Negativelektrodenabstandshalters 1600 unterstützen.
Weiterhin können sich die Hauptrippen 1620 bei einem Hauptrippen-Formschrägewinkel 1716 (z.B. in der x-z-Ebene) weg von den Stützrippen 1640 erstrecken. In manchen Beispielen können sich die Hauptrippen 1620 senkrecht von den Stützrippen 1640 erstrecken; in anderen Beispielen kann der Hauptrippen-Formschrägewinkel 1716 ±3° von der Senkrechten zu den Stützrippen 1640 betragen; in weiteren Beispielen kann der Hauptrippen-Formschrägewinkel 1716 ±10° von der Senkrechten zu den Stützrippen 1640 betragen. Wenn die Hauptrippe mit der negativen Strömungsfeldplatte 2040 (z.B. Plattierungsfläche) einen spitzen Winkel bildet, kann die Hauptrippe die Strömung von Elektrolytstrom zwischen der Membran und der Plattierungsfläche verschatten, wie nachstehend anhand von 21A-C beschrieben wird. Verschatten kann dazu führen, dass Gradienten in der Elektrolytstromdichte die Plattierungsfläche erreichen, und kann somit höhere Varianzen bei Stromverteilung und Plattierungsdichten an der negativen Strömungsfeldplatte entstehen lassen. Abhängig von Herstellungsmöglichkeiten kann der Hauptrippen-Formschrägewinkel 1716 des Negativelektrodenabstandshalters 1600 einen nicht senkrechten Winkel zu den Stützrippen 1640 bilden, was zu gewisser Verschattung und Stromdichtegradienten führt. Somit kann ein Reduzieren einer Abweichung des Hauptrippen-Formschrägewinkels 1716 von 90° das Reduzieren von Stromdichtegradienten während des Ladens der Redox-Flow-Batterie unterstützen.
Unter Verweis nun auf 17C zeigt diese eine Querschnittansicht von Schnitt C-C (z.B. eine Stützrippe 1640) von Fig. 17A, einschließlich eines Stützrippenradius 1724 und eines Stützrippen-Formschrägewinkels 1722. Wie in 17C gezeigt ist, kann die Stützrippe 1640 näher an einer Membranseite des Negativelektrodenabstandshalters 1600 positioniert werden und kann von halbkreisförmigem Querschnitt mit einem Stützrippenradius 1724, der kleiner als die Hauptrippendicke 1718 ist, sein. Der Stützrippen-Formschrägewinkel 1722 kann einen Winkel (in der x-y-Ebene) zwischen den Hauptrippen 1620 und den Stützrippen 1640 bezeichnen. Wenn beispielsweise die Stützrippen 1640 vertikal ausgerichtet sind, kann der Stützrippen-Formschrägewinkel 0° betragen. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, kann die Stützrippenlänge 1724 bei 0,25 mm bis 25 mm liegen, und der Stützrippen-Formschrägewinkel kann bei -10° bis +10° liegen. Unter Verweis auf 17D zeigt diese eine Querschnittansicht 1730 von Schnitt D-D von 16. Querschnittansicht 1730 gilt für die am nächsten zum Rand liegenden Stützrippen 1642 und 1648 des Negativelektrodenabstandshalters 1600. Die am nächsten zum Rand liegenden Stützrippen 1642 und 1648 können bei einem Formschrägewinkel 1732 quer zur Vertikalen gebildet sein. Wenn der transversale Formschrägewinkel 1732 90° beträgt, sind die am nächsten zum Rand liegenden Stützrippen 1642 und 1648 vertikal ausgerichtet. Wenn der transversale Formschrägewinkel 1732 größer als 90° ist, verlaufen die am nächsten zum Rand liegenden Stützrippen 1642 und 1648 nach innen geneigt, wogegen bei einem transversalen Formschrägewinkel 1732 von weniger als 90° die am nächsten zum Rand liegenden Stützrippen 1642 und 1648 nach außen geneigt verlaufen. Das Bilden eines spitzen transversalen Formschrägewinkels 1732 kann das Passieren von Elektrolytfluid (z.B. Flüssigkeit und Gas) in der Strömungsrichtung des Plattierungselektrolytströmungsfelds unterstützen. Das Bilden eines transversalen Formschrägewinkels, der kleiner als ein transversaler Schwellenwert-Formschrägewinkel ist, kann aber die Komplexität und Kosten bei der Herstellen steigern und kann das Risiko eines mechanischen Ausfalls der Plattierungselektrode aufgrund des Vorhandenseins von schärferen Kanten erhöhen. Unter Verweis auf 17E zeigt diese eine Querschnittansicht 1740 von Schnitt E-E von 16. Querschnittansicht 1740 gilt für die am nächsten zum Rand liegenden Hauptrippen 1622 und 1628 des Negativelektrodenabstandshalters 1600. Die am nächsten zum Rand liegenden Hauptrippen 1622 und 1628 können bei einem Hauptrippen-Formschrägewinkel 1742 quer zur Vertikalen gebildet sein. Wenn der transversale Hauptrippen-Formschrägewinkel 1742 90° beträgt, sind die am nächsten zum Rand liegenden Hauptrippen 1622 und 1628 vertikal ausgerichtet. Wenn der Hauptrippen-Formschrägewinkel 1742 größer als 90° ist, verlaufen die am nächsten zum Rand liegenden Hauptrippen 1622 und 1628 nach innen geneigt, wogegen bei einem Hauptrippen-Formschrägewinkel 1742 von weniger als 90° die am nächsten zum Rand liegenden Hauptrippen 1622 und 1628 nach außen geneigt verlaufen. Wenn der Hauptrippen-Formschrägewinkel 1742 von 90° abweicht, kann ein Risiko von größeren Gradienten bei Stromdichten und Plattierung während des Batterieladens erhöht sein.

Tabelle 2 führt beispielhafte Werte für verschiedene Elektrodenkonfigurationsmerkmale wie etwa Hauptrippenlänge, Hauptrippenteilung, Hauptrippenhöhe, Hauptrippen-Formschrägewinkel, Stützrippenbreite, Stützrippendicke, Stützrippenteilung, Stützrippen-Formschrägewinkel, Stützrippenlänge und Verhältnis von Breite zu Länge der Elektrode an. Der Hauptrippen-Formschrägewinkel und/oder der Stützrippen-Formschrägewinkel können so gewählt werden, dass sie dem Elektrodenausbildungsprozess, einschließlich Spritzgießen und Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung entsprechen. Die Hauptrippen und Stützrippen sind nicht unbedingt alle bezüglich Maß, Form und/oder Querschnitt äquivalent. Beispielsweise können ein oder mehrere der Haupt- oder Stützrippen von unterschiedlicher Länge, Dicke, Position und dergleichen sein. Insbesondere können bei manchen Elektrodenkonfigurationsbeispielen die Hauptrippen abwechselnde Werte bei den Formschrägewinkeln für benachbarte Hauptrippen umfassen. In anderen Beispielen kann sich die Hauptrippendicke sowohl über die Stützrippen hinaus hin zur Membran als auch zur Strömungsfeldplatte erstrecken. In anderen Beispielen können sich einige der Hauptrippendicken über die Stützrippen an der Membranseite der Elektrode hinaus erstrecken, während sich andere Hauptrippendicken über die Stützrippen an der Substratseite der Elektrode hinaus erstrecken können. Wenn sich die Hauptrippendicke über die Stützrippen 1640 an der Substratseite der Elektrode hinaus erstreckt, kann die für Elektrolyt zugängliche Fläche der Membran vergrößert werden, was Lade- und Entladeraten für die Redox-Flow-Batterie erhöhen kann. Das Positionieren der Stützrippen 1640 näher an der Membran als an der Plattierungsfläche (z.B. negative Strömungsfeldplatte) kann weiterhin das Reduzieren von Stromdichteverteilungsvarianzen an der Plattierungsfläche unterstützen, wie anhand von 12-13 nachstehend näher beschrieben wird. Tabelle 2: Elektrodenmerkmale und Wertebereich

Bezeichnung des Merkmals	Wertebereich
Hauptrippenlänge (in y-Richtung)	0,25 mm bis 10 mm
Hauptrippenbreite (Dicke in x-Richtung)	0,25 mm bis 10 mm
Hauptrippenteilung	0,5 mm bis Breite der Elektrode
Hauptrippendicke (Dicke in z-Richtung)	0,25 mm bis 12 mm
Hauptrippen-Formschrägewinkel	80° bis + 100°
Hauptrippen-Formschrägewinkel	(-10° bis + 10° von der Senkrechten)
Stützrippenbreite (Dicke in x-Richtung)	0,25 mm bis 10 mm
Stützrippendicke (Dicke in z-Richtung)	0,25 mm bis 11,5 mm
Stützrippenteilung	0,25 mm bis Länge der Elektrode
Stützrippen-Formschrägewinkel	80° bis + 100°
Stützrippen-Formschrägewinkel	(-10° bis + 10° von der Senkrechten)
Stützrippenlänge (in x-Richtung)	0,25 mm bis 25 mm
Verhältnis von Breite zu Länge der Elektrode	0,03° bis + 33

Unter Verweis nun auf 21A-C zeigen diese Teilquerschnittansichten von Elektrodenstapelanordnungen, welche einen Negativelektrodenabstandshalter 2026, Hauptrippe und negative Strömungsfeldplatte 2040 an einer negativen Seite einer Membran 2020 umfasst (gegenüber der positiven Redoxseite 2102). Hauptrippe 2130 umfasst einen transversalen Querschnitt (in der x-y-Ebene), der entlang einer z-Richtung konstant ist. Anders gesagt kann der transversale Hauptrippen-Querschnitt entlang einer Achse senkrecht zu den Ebenen der Elektrodenanordnungsstapelschichten konstant sein. Der transversale Hauptrippen-Querschnitt 2128 an der Membran ist mit anderen Worten äquivalent zu dem transversalen Hauptrippen-Querschnitt 2129 an der Plattierungsfläche, und die Hauptrippe ist ohne Hinterschneidungen (wie anhand von 21C beschrieben). Somit kann die Strömung von Elektrolytfluid und lonenstrom, die durch die gestrichelten Pfeile 2150 angedeutet ist, von der Membran 2020 zu der Plattierungsfläche (negative Strömungsfeldplatte 2040) ungehindert über die Oberfläche des Hauptrippe 2130 befördert werden und kann über die Ebene (z.B. x-y-Ebene) der Plattierungsoberfläche gleichmäßiger dispergiert und verteilt werden. Negativelektrodenabstandshalter 2026 mit Hauptrippen 2130, die einen konstanten transversalen Querschnitt von der Membran 2020 zu der Plattierungsfläche aufweisen, können das Reduzieren von lonenkonzentrationsgradienten und Stromintensitätsgradienten in dem Strömungsfeld des negativen Elektrolyten unterstützen.
Hauptrippe 2132 umfasst dagegen einen transversalen Querschnitt (in der x-y-Ebene), der sich entlang einer z-Richtung kontinuierlich ändert. Anders gesagt nimmt der transversale Hauptrippen-Querschnitt von der Membran 2020 zu der Plattierungsfläche gleichförmig ab. Der transversale Hauptrippen-Querschnitt 2131 an der Membran kann mit anderen Worten größer (oder in anderen Beispielen kleiner) als der transversale Hauptrippen-Querschnitt 2133 an der Plattierung sein. Somit verschattet der größere transversale Hauptrippen-Querschnitt 2131 teilweise die Plattierungsfläche und Strömung von Elektrolytfluid und lonenstrom, die durch die gestrichelten Pfeile 2152 angedeutet sind, verteilen sich und dispergieren von der Membran 2020 zu der Plattierungsfläche (negative Strömungsfeldplatte 2040), wodurch Elektrolytkonzentration und Stromgradienten eingeführt werden. Somit kann die Strömung von Elektrolytfluid und lonenstrom, die durch die gestrichelten Pfeile 2152 angedeutet ist, von der Membran 2020 zu der Plattierungsfläche (negative Strömungsfeldplatte 2040) mehr weniger gleichmäßig über die über die Ebene (z.B. x-y-Ebene) der Plattierungsoberfläche dispergiert und verteilt werden. Unter Verweis nun auf 21C umfasst die Hauptrippe 2134 eine Hauptrippe mit einem nicht konstanten transversalen Querschnitt 2133 zwischen der Membran 2020 und der Plattierungsfläche (z.B. der negativen Strömungsfeldplatte 2040). Auch wenn der transversale Querschnitt 2133 der Hauptrippe 2134 an der Membran, der äquivalent zu dem transversalen Querschnitt 2133 der Hauptrippe an der Plattierungsfläche ist umfasst der Querschnitt der Hauptrippe 2134 insbesondere weiterhin eine Hinterschneidung 2136. Die Hinterschneidung 2136 kann durch einen Vorsprung (z.B. eine Säule) 2137, die sich von der Hauptrippe zumindest teilweise in einer x-Richtung in der Breite (z.B. mit einer x-Komponente) erstreckt ausgebildet sein. Der Vorsprung 2137 kann verschiedene Geometrien und Formen umfassen, die sich von der Hauptrippe erstrecken, einschließlich rund bis quadratisch (wie in 21C gezeigt), fingerartig, hügelartig und dergleichen. Aufgrund des Vorhandenseins des Vorsprungs 2137 kann ein Teil der Plattierungsfläche verschattet sein; der Vorsprung 2137 kann mit anderen Worten einen direkten Strömungsweg von der Membran 2020 zu dem verschatteten Teil der Plattierungsfläche behindern. Daher müsse Elektrolytfluid und lonenstrom um den Vorsprung 2137 strömen, um das Volumen der Hinterschneidung 2136 zu und die dazu benachbarte Plattierungsfläche erreichen (wie durch gestrichelte Pfeile 2154 gezeigt). Weiterhin kann ein Teil der Strömung durch den Vorsprung 2137 blockiert sein, was Gradienten der der Elektrolytionenkonzentration und des Stroms zwischen der Membran und der Plattierungsfläche weiter erhöht.
Die Stromverteilung kann ebenfalls eine große Auswirkung auf Batterieleistung haben, da kinetische Verluste mit verfügbarer Elektrodenfläche exponentiell skalieren. Weiterhin kann eine mangelhafte (ungleichere, ungleichmäßigere und weniger einheitliche) Stromverteilung über einer aktiven Elektrodenfläche (z.B. einer Plattierungsfläche) ein Risiko von Kurzschluss der Redox-Flow-Batteriezelle vergrößern. Im Fall von Redox-Flow-Batteriezellen, die bei höheren Plattierungsdichten arbeiten, kann das Reduzieren von Stromdichtevarianz (z.B. Verteilung) dazu beitragen, ein Risiko eines Kurschlusses der Batteriezelle zu verlangsamen und zu reduzieren, wie in der grafischen Darstellung 1100 von 11 gezeigt ist. Die Stromdichtevarianz kann durch Prüfen des Stromdichteinterquartilabstands (IQR) und der mittleren absoluten Abweichung (MAD) der Stromdichte bewertet werden. Ein Beibehalten des IQR < 2,0 an dem Plattierungssubstrat (z.B. Plattierungselektrodensubstrat) während Beibehalten von MAD < 0,2 an dem Plattierungssubstrat kann zu einem wesentlichen Reduzieren eines Risikos von Batteriekurzschluss beitragen. Wie in der zweiten und dritten Reihe der grafischen Darstellung 1100 gezeigt ist, ist bei MAD=4 und IQR=10 und bei MAD=8 und IQR=20 die Stromverteilungsvarianz höher und kann verglichen mit MAD=0 und IQR=0 (oberste Reihe der grafischen Darstellung 1100) beginnen, den Elektrodenabstand bei einem früheren Zeitpunkt (z.B. T1, T2, Tn) zu überspannen, was zu frühzeitigem Batteriekurzschluss führt.
Zehn unterschiedliche Negativelektrodenabstandshalterkonfigurationen, die in den grafischen Darstellungen 1200 und 1300 von 12 bzw. 13 gezeigt sind, wurden gemäß den folgenden Kriterien bewertet: die Konfiguration des Negativelektrodenabstandhalters ist durch Spritzgießen und/oder Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung herstellbar; das Material des Negativelektrodenabstandshalters ist mit den Betriebsbedingungen des Elektrolyten und der Redox-Flow-Batteriezelle kompatibel; die Herstellungskosten liegen unter $30 / kW; Stromdichte IQR < 2,0 für die plattierte Elektrode an dem Plattierungssubstrat; Stromdichte MAD < 0,2 für die plattierte Elektrode an dem Plattierungssubstrat; der flächenspezifische Widerstand (ASR) der plattieren Elektrode an dem Plattierungssubstrat ≤ 0,9 ohm-cm2; die Lagerung des Negativelektrodenabstandshalters bietet der positiven Elektrode eine angemessene strukturelle Abstützung (siehe nachstehende Angaben); und während des Betriebs der Batteriezelle entstehende Gasblasen können ohne zusätzliche Behandlung gespült werden (Elektrode muss ein gewisses Maß an Hydrophobie aufweisen). Ausführ. A-J (z.B. entsprechend Negativelektrodenabstandshalter-Konfigurationen 1210, 1220, 1230, 1240, 1250, 1310, 1320, 1330 bzw. 1340) können durch Spritzgießen hergestellt werden, wogegen Ausführ. K (Negativelektrodenabstandshalter-Konfiguration 1350) durch Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung hergestellt werden kann.
Wie in den grafischen Darstellungen 1200 und 1300 gezeigt ist, wiesen die Ausführ. G, I, J und K der Konfigurationen der Negativelektrodenabstandshalter Stromdichteverteilungsvarianzen auf, die die Kriterien IQR < 2,0, MAD < 0,2 und ASR ≤ 0,9 ohm-cm2 erfüllten. Die Spalte ganz rechts der grafischen Darstellungen 1200 und 1300 zeigt 2D-Darstellungen von Stromdichteverteilungen bei 45 mA/cm2 an der Plattierungsfläche (in einer x-y-Ebene) benachbart zu Wiederholelementen in jeder Negativelektrodenabstandshalter-Konfiguration. Die Wiederholelemente 1212, 1222, 1232, 1242, 1252, 1312, 1322, 1332, 1342 und 1352 bezeichnen eine sich wiederholende Struktur jeweils in den Konfigurationen der Negativelektrodenabstandshalter der Ausführ. A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, die an der Schnittstelle einer Stützrippe und einer Hauptrippe zentriert sind und sich über die Hälfte einer Stützrippenteilung in beiden Längsrichtungen (y-Richtung) erstrecken und sich über die Hälfte einer Hauptrippenteilung in beiden Breitenrichtungen (x-Richtung) erstrecken. In 22A-J sind jeweils vergrößerte Draufsichten auf die Konfigurationen der Negativelektrodenabstandshalter und ihrer entsprechenden Wiederholungseinheiten gezeigt. Die Stromintensitäten an jedem Punkt in den Stromdichteverteilungen sind farblich angezeigt, wobei rote Regionen höhere Stromintensitäten anzeigen und blaue Regionen niedrigere Stromintensitäten anzeigen. Graue Bereiche geben die inaktiven Regionen an, wo die Hauptrippen und die Stützrippen des Negativelektrodenabstandshalters die Plattierungsfläche kontaktieren.
Wie anhand der Stromdichteverteilungen der Wiederholungselemente 1210, 1220, 1230, 1240 und 1250 gezeigt weisen die Konfigurationen A-F der Negativelektrodenabstandshalter, mit Hinterschneidungen in den Hauptrippen und darunter verschatteten Regionen, höhere Stromdichteverteilungsvarianzen, einschließlich nicht gleichmäßige, ungleiche Regionen auf, in denen Bereiche hoher Stromdichte an Bereiche niedriger Stromdichte angrenzen können. In Konfiguration A sind beispielsweise Stromdichtegradienten zu erkennen, die die Hinterschneidungsregionen entlang der Hauptrippe zwischen den inaktiven Regionen 1214 umgeben, wo die Hauptrippe nicht hinterschnitten ist und die Plattierungsfläche kontaktiert. Ähnliche Stromdichtegradienten treten bei den Konfigurationen B, C, D und F auf, die alle hinterschnittene strukturelle Merkmale in den Hauptrippen der entsprechenden Wiederholungseinheit umfassen. Diese Stromdichtegradienten sind bei den Konfigurationen C und D der Negativelektrodenabstandshalter noch deutlicher, wo die Stützrippen an einer Substratseite der Hauptrippen positioniert sind. Praktisch unterschneidet das Positionieren der Stützrippen an einer Substratseite der Hauptrippen die Hauptrippe entlang ihrer gesamten Länge, was zu höheren Stromdichtegradienten führt. Weiterhin macht das Anordnen der Stützrippen an einer Substratseite des Negativelektrodenabstandshalters die Teile der Plattierungsfläche, die mit den Stützrippen in Kontakt stehen, inaktiv, wie durch inaktive Regionen 1236 und 1246 angedeutet ist. Das Positionieren der Stützrippen an der Membranseite des Negativelektrodenabstandhalters kann mit anderen Worten während des Ladens und Entladens der Batterie das Reduzieren von Stromdichtegradienten an der Plattierungsfläche unterstützen.
Wie vorstehend unter Verweis auf 21A-C erläutert können strukturelle Merkmale in den Hauptrippen, etwa Hinterschneidungen und Vorsprünge, die sich zumindest teilweise in der x-Richtung erstrecken, aufgrund von Verschattung ein Risiko von höherer Stromdichteverteilungsvarianz erhöhen, was Gradienten bei Elektrolytionen-Durchsätzen, Konzentrationen und Strom entstehen lassen kann. Die Negativelektrodenabstandshalter-Konfigurationen G, I und J umfassen dagegen feste monolithische Hauptrippen ohne Hinterschneidungen oder Vorsprünge und Hauptrippen-Formschrägewinkel, die 0 Grad von der Senkrechten zu den Stützrippen betragen. Somit wird ein Verschatten in der Nähe der Regionen, wo die Hauptrippen die Plattierungsfläche kontaktieren, reduziert und Stromgradienten können an dieser Stelle praktisch eliminiert werden. Ausführ. K umfasst monolithische Hauptrippen ohne Hinterschneidungen oder Vorsprünge, doch aufgrund von Herstellungsmöglichkeiten sind die Hauptrippen-Formschrägewinkel nicht ganz senkrecht zu den Stützrippen, was zu Verschattung und Stromdichtegradienten 1354 in der Nähe der verschatteten Abschnitte der Plattierungsfläche führt. Ausführ. H (Negativelektrodenabstandshalter-Konfiguration 1320) umfasst zylindrische Hauptrippen mit kreisförmigem Querschnitt. Demgemäß läuft der Elektrolytstrom bei Strömen von der Membran um die Hauptrippen zusammen und auseinander, um die Plattierungsfläche zu erreichen, wodurch Elektrolytkonzentrationsgradienten erzeugt und Varianzen der Stromdichteverteilung an der Plattierungsfläche in den Regionen 1324 entlang der Länge der Hauptrippen erhöht werden.
Es wird auch festgestellt, dass die Stromgradientenregionen 1216, 1226, 1236, 1246, 1256, 1316, 1326, 1336, 1346 und 1356 jeder der Stützrippen zugeordnet sind. Das Reduzieren der Anzahl von querlaufenden Stützrippen (z.B. Vergrößern der Stützrippenteilung) kann auch das Reduzieren von Stromdichten und das Reduzieren von Stromdichteverteilungsvarianz unterstützen. Das Reduzieren der Anzahl von Hauptrippen (z.B. Vergrößern der Hauptrippenteilung) kann das Reduzieren von Stromdichten und das Reduzieren von Stromdichteverteilungsvarianz weiter unterstützen, wie aus dem Verglich von Negativelektrodenabstandshalter-Konfigurationen 1310 (Hauptrippen die jeder positiven Strömungsfeldplattenrippe entsprechen) und 1330 (Hauptrippen, die jeder anderen positiven Strömungsfeldplattenrippe entsprechen) hervorgeht. Das Reduzieren einer Anzahl von Hauptrippen kann das Reduzieren von Stromdichteverteilungsvarianzen unterstützen, solange der Elektrodenstapelanordnung während Zusammenpressen nach Zusammenbau der Batteriezelle und während Batteriezyklisieren (Laden/Entladen) genügend strukturelle Stütze verliehen werden kann. Insbesondere kann die Elektrodenabstandshalter-Konfiguration steif genug gehalten werden, so dass sie durch Zusammenpressen bei Zusammenbau des Redox-Flow-Batteriesystems nicht ausbeult In einem Beispiel können Hauptrippen an der negativen Seite einer Redox-Flow-Batteriezellenmembran gegenüber jeder zweiten (d.h. abwechselnden) Rippe einer ineinandergreifenden Strömungsplatte an der positiven Seite der Membran positioniert werden.
Die Stromdichteverteilungen für die zehn verschiedenen Negativelektroden-Konfigurationen (Ausführ. A-K) sind in 14 in einem Box-Whisker-Plot 1400 aufgetragen. Das Box-Whisker-Plot 1400 trägt die Stromdichteverteilung als Quartile auf. Die schattierten Kästchen zeigen den Stromdichteverteilungs-Mittelwert (durch Strichlinien angedeutet) in einem Kästchen (schattierte Kästchen), die von den größten ersten Quartil- und den kleinsten dritten Quartilwerten begrenzt sind. Die Whiskers, die außerhalb der Grenzen des Kästchens liegen, stellen die oberen und unteren Quartilverteilungsendpunkte dar. Ausreißer jenseits der Whiskers sind als nicht schattierte Rechtecke gezeigt. Die Ausführ. G, I, J und K sind durch kleine Kästchen und kurze Whiskers mit wenigen Ausreißern dargestellt, was schmälere (kleinere Varianz) Stromdichteverteilungen anzeigt. Die Stromdichteverteilung von Ausführ. I kann bevorzugt sein, da sie schmäler ist, mit weniger (und weniger extremen) Ausreißern.
Unter Verweis auf 15 zeigt diese eine Darstellung 1500, die Batterievalidierungstests für verschiedene Elektrodenkonfigurationen zeigt. Ausführ. C, G und J; eine Elektrodenkonfiguration mit einem Ti-Netz; und eine handelsübliche Elektrode. Auch wenn das Ti-Netz anfänglich eine niedrige Ladespannung aufweist, wird ein Kurzschlussverhalten bei etwa 6 Stunden Laden gezeigt, wo die Zellenspannung zu sinken beginnt, wenn der Ladestrom über Zeit angehoben wird, wodurch verglichen mit Ausführ. C, G und J eine schlechtere Leistung aufgewiesen wird.
Unter Verweis nun auf 23A zeigt diese eine Explosionsdraufsicht auf eine andere Darstellung einer Negativelektrodenabstandshalter-Anordnung 2400 für eine Redox-Flow-Batterie. Die Negativelektrodenabstandshalter-Anordnung 2400 kann in einer Redox-Flow-Batteriestapelanordnung so positioniert werden, dass die Negativelektrodenabstandshalter-Anordnung 2400 sandwichartig zwischen die Membran und die negative Strömungsfeldplatte gesetzt ist. Die Negativelektrodenabstandshalter-Anordnung 2400 umfasst einen Negativelektrodenabstandshalter 2420, der mit der Membran 2410 durch Anbringen des Negativelektrodenabstandshalters 2420 an der negativen Seite der Membran 240 (wie durch Pfeil 2414 angedeutet) integriert ist. Das Integrieren des Negativelektrodenabstandshalters 2420 mit der Membran 2410 kann das Erleichtern des Zusammenbaus des Redox-Flow-Zellenstapels durch Reduzieren der auszurichtenden Anzahl separater Komponenten (z.B. Schichten) und durch Wahren einer Ausrichtung der Membran 2410 mit der aktiven Fläche des Negativelektrodenabstandhalters 2420 unterstützen. Die aktive Fläche des Negativelektrodenabstandshalters 2410 kann die Fläche des Negativelektrodenabstandshalters 2420 bezeichnen, die durch die Hauptrippen 2426 und die Stützrippen 2428 abgegrenzt ist, wo negativer Elektrolyt die Membran und die negative Strömungsfeldplatte kontaktiert und zwischen diesen strömt und wo die Elektrolytspezies an Redoxreaktionen mitwirken. Der Negativelektrodenabstandshalter kann weiterhin eine inaktive Umfangsregion 2422 umfassen, die die aktive Region umgibt, die den Elektrolyten kontaktieren kann, wo aber keine Redoxreaktionen stattfinden. Die Membran 2410 kann durch Befestigen einer Randregion 2416 an einem Umfang der Membran 2410 an der inaktiven Umfangsregion 2422 des Negativelektrodenabstandshalters 2420 an dem Negativelektrodenabstandshalter 2420 angebracht werden. Die Maße der Randregion 2416 können etwas größer als die Maße der aktiven Region der Membran 2410 (oder etwas größer als der Innenumfang der inaktiven Region 2422) sein. Weiterhin kann das Anbringen der Randregion 2416 an der inaktiven Umfangsregion 2422 das Ausrichten der Randregion 2416 der Membran 2410 außerhalb der aktiven Region des Negativelektrodenabstandshalters 2420 umfassen. Wenn die Membran 2410 mit dem Negativelektrodenabstandshalter 2420 integriert wird, bedeckt auf diese Weise die Membran die gesamte aktive Region des Negativelektrodenabstandshalters 2420. In einem Beispiel kann die Randregion 2416 der Membran 2410 an den Negativelektrodenabstandshalter 2420 thermisch geschweißt werden.
Unter Verweis nun auf 23B zeigt diese eine Draufsicht auf den Negativelektrodenabstandshalter 2420. Der Negativelektrodenabstandshalter 2420 kann mehrere Einlass- und Auslassöffnungen 2402 umfassen, die in der inaktiven Umfangsregion 2422 positioniert sind. Elektrolytfluid kann mittels verschiedener Kanäle oder Strömungswege, die in die Schichten der Elektrodenstapelanordnungm, einschließlich den Negativelektrodenabstandshalter, integriert sind, von den Einlässen zu dem negativen Strömungsfeld und von dem negativen Strömungsfeld zu den Auslässen befördert werden Die Maße der aktiven Region können durch eine Länge der aktiven Fläche und eine Breite der aktiven Fläche angegeben werden. In dem Fall, da die Hauptrippen 2426 parallel zu der Länge des Negativelektrodenabstandshalters (y-Achse) ausgerichtet sind, ist die Hauptrippenlänge äquivalent zur Länge der aktiven Fläche; in dem Fall, da die Stützrippen 2428 parallel zu der Breite des Negativelektrodenabstandshalters (x-Achse) ausgerichtet sind, ist die Stützrippenlänge äquivalent zur Breite der aktiven Fläche.
Unter Verweis nun auf 23C zeigt diese eine Querschnittansicht des Separators 2420 der negativen Elektrode bei Schnitt B-B. Wie vorstehend anhand von 23A beschrieben kann die Randregion 2416 an einem Innenumfang der inaktiven Umfangsregion 2422 an dem Separator 2420 der negativen Elektrode angebracht werden. Eine Dicke des Separators 2422 der negativen Elektrode kann äquivalent zur Hauptrippendicke (einschließlich Randhauptrippen 2425) sein. Die Hauptrippen können sich von den Stützrippen distal weg von der Membran (y-Richtung) bei einem Hauptrippen-Formschrägewinkel relativ zu den Stützrippen (und der x-y-Ebene) erstrecken. Aufgrund von Fertigungsmöglichkeiten kann der Hauptrippen-Formschrägewinkel ein spitzer Winkel sein, der innerhalb von ±10° oder ±3° von 90° liegt. Wenn der Hauptrippen-Formschrägewinkel näher an 90° liegt, kann eine Stromdichteverteilungsvarianz an der Plattierungsfläche relativ zu einem Hauptrippen-Formschrägewinkel, der viel kleiner als 90° ist, reduziert wird. Innerhalb der aktiven Region der Konfiguration der negativen Elektrode umfasst eine Mittendicke eine Membrandicke 2412 zusätzlich zur Hauptrippendicke. Die inaktive Umfangsregion 2422 kann aus einem nicht leitenden steifen Material hergestellt sein. Jede der Hauptrippen 2426 und Stützrippen 2428 kann an dem Innenumfangsrand der inaktiven Umfangsregion 2422 angebracht werden. Beispielsweise können Längsenden der mehreren Hauptrippen und Breitenenden der mehreren Stützrippen an der steifen Rahmenstruktur der inaktiven Umfangsregion 2422 montiert werden. Auf diese Weise kann die inaktive Umfangsregion 2422 den Hauptrippen 2426 und den Stützrippen 2428 und der Membran 2410 Strukturintegrität verleihen, wodurch dazu beigetragen wird, die Ebenheit sowie relative Ausrichtungen der Hauptrippen 2426 und der Stützrippen 2428 und der Membran 2410 zu wahren. In manchen Beispielen kann die zusätzliche strukturelle Unterstützung, die durch Montieren der Hauptrippen 2426 und der Stützrippen 2428 an die inaktive Umfangsregion 2422 gewonnen wird, dabei helfen, eine Leistung des Redox-Flow-Batteriesystems zu vergrößern, indem ein Reduzieren einer Dicke einer oder mehrerer der Hauptrippen 2426 und der Stützrippen 2428 ermöglicht wird oder indem eine Teilung einer oder mehrerer der Hauptrippen 2426 und der Stützrippen 2428 vergrößert wird. Wie vorstehend beschrieben kann ein Reduzieren der Dicke der Hauptrippen 2426 und der Stützrippen 2428 dazu beitragen, Stromdichtegradienten an der Plattierungsfläche zu reduzieren, und kann reduzierte Elektrodenstapelanordnungsdicken ermöglichen, die Widerstandsverluste senken können.
Unter Verweis nun auf 24A zeigt diese eine Draufsicht auf eine andere alternative Darstellung einer Elektrodenkonfiguration, einschließlich eines Negativelektrodenabstandshalters 2500. Der Negativelektrodenabstandshalter 2500 kann in einer Redox-Flow-Batteriestapelanordnung zwischen Membran und der negativen Strömungsfeldplatte positioniert sein. Der Negativelektrodenabstandshalter 2500 umfasst eine aktive Fläche mit mehreren Hauptrippen 2526, die paralleler zu einer Länge der aktiven Fläche ausgerichtet sind, und mehrere Stützrippen 2528, die paralleler zu einer Breite der aktiven Fläche ausgerichtet sind. Die aktive Fläche des Negativelektrodenabstandshalters 2500 kann die Fläche des Negativelektrodenabstandshalters 2500 bezeichnen, die durch die Hauptrippen 2526 und die Stützrippen 2528 abgegrenzt ist, wo negativer Elektrolyt die Membran und die negative Strömungsfeldplatte in der Redox-Flow-Batteriestapelanordnung kontaktiert und zwischen diesen strömt und wo die Elektrolytspezies an Redoxreaktionen mitwirken. Der Negativelektrodenabstandshalter 2500 kann weiterhin eine inaktive Umfangsregion 2522 umfassen, die die aktive Region umgibt, die den Elektrolyten kontaktieren kann, wo aber keine Redoxreaktionen stattfinden. Der Negativelektrodenabstandshalter 2500 kann mehrere Einlass- und Auslassöffnungen 2502 umfassen, die in der inaktiven Umfangsregion 2522 positioniert sind. Elektrolytfluid kann mittels verschiedener Kanäle 2524 oder Strömungswege, die in die Schichten der Elektrodenstapelanordnungm, einschließlich den Negativelektrodenabstandshalter, integriert sind, von den Einlässen zu dem negativen Strömungsfeld und von dem negativen Strömungsfeld zu den Auslässen befördert werden In dem Fall, da die Hauptrippen 2526 parallel zu der Länge des Negativelektrodenabstandshalters (y-Achse) ausgerichtet sind, ist die Hauptrippenlänge äquivalent zur Länge der aktiven Fläche; in dem Fall, da die Stützrippen 2528 parallel zu der Breite des Negativelektrodenabstandshalters (x-Achse) ausgerichtet sind, ist die Stützrippenlänge äquivalent zur Breite der aktiven Fläche.
Unter Verweis nun auf 24B zeigt diese eine Querschnittansicht des Separators 2500 der negativen Elektrode bei Schnitt A-A. Eine Mittendicke des Separators der negativen Elektrode 2500 kann äquivalent zur Hauptrippendicke sein. Die Hauptrippen 2526 können sich von den Stützrippen 2528 distal weg von der Membran in der Redoxstapelanordnung (y-Richtung) bei einem Hauptrippen-Formschrägewinkel relativ zu den Stützrippen (und der x-y-Ebene) erstrecken. Aufgrund von Fertigungsmöglichkeiten kann der Hauptrippen-Formschrägewinkel ein spitzer Winkel sein, der innerhalb von ±10° oder ±3° von 90° liegt. Wenn der Hauptrippen-Formschrägewinkel näher an 90° liegt, kann eine Stromdichteverteilungsvarianz an der Plattierungsfläche relativ zu einem Hauptrippen-Formschrägewinkel, der viel kleiner als 90° ist, reduziert wird. Die inaktive Umfangsregion 2522 kann aus einem nicht leitenden steifen Material hergestellt sein und umfasst eine Grenzregion 2550, die sich wie ein Bilderrahmen um den Umfang des Negativelektrodenabstandshalters 2500 wickelt und erstreckt. Die Grenzregion 2550 kann einen äußeren Wellrahmen umfassen, wobei die Wellungen Längskanäle 2552 in einer Ober- und Unterseite des gewellten Rahmens umfassen. Die Wellungen und Kanäle 2552 können das Gewicht und die Materialkosten des Negativelektrodenabstandshalters 2500 reduzieren, während eine strukturelle Steifigkeit beibehalten wird. Der gewellte Rahmen 2550 kann weiter außen als die aktive Region des Negativelektrodenabstandshalters positioniert werden. Die Grenzregion kann weiterhin eine Lippe 2554 umfassen, die sich innen von dem Umfang des Negativelektrodenabstandshalters 2500 erstreckt. Jede der Hauptrippen 2526 und Stützrippen 2528 kann an der Lippe angebracht sein. Beispielsweise können Längsenden der mehreren Hauptrippen und Breitenenden der mehreren Stützrippen an der Lippe 2554 (z.B. einer steifen Rahmenlippenstruktur) der inaktiven Umfangsregion 2422 montiert werden. Die Dicke der Lippe 2554 kann der Mittendicke der aktiven Region entsprechen. Somit kann die negative Strömungsfeldplatte 2560 ebenfalls an dem Bilderrahmen montiert werden, wobei ein Außenrand der negativen Strömungsfeldplatte 2560 unterhalb der Lippe 2554 befestigt werden kann. Bei Montieren an den Bilderrahmen kann eine zur Membran weisende Fläche der negativen Strömungsfeldplatte gerade die die membranfernen Enden der Hauptrippen 2526 kontaktieren, so dass unter Pressen der negativen Strömungsfeldplatte 2560 hin zur Membran während des Zusammenbaus des Redox-Flow-Batteriestapels die Hauptrippen 2526 ein Dickenmaß des Strömungsfelds des negativen Elektrolyten unterstützen und beibehalten. Auf diese Weise können die inaktive Umfangsregion 2522 und die Grenzregion 2550 den Hauptrippen 2526 und den Stützrippen 2528 sowie der negativen Strömungsfeldplatte Strukturintegrität verleihen, was dabei hilft, die Ebenheit und relative Ausrichtungen der Hauptrippen 2526 und der Stützrippen 2528 sowie der negativen Strömungsfeldplatte 2560 zu wahren. In manchen Beispielen kann die zusätzliche strukturelle Unterstützung, die durch Montieren der Hauptrippen 2526 und der Stützrippen 2528 an die inaktive Umfangsregion 2522 und der Grenzregion 2550 gewonnen wird, dabei helfen, eine Leistung des Redox-Flow-Batteriesystems zu steigern, indem ein Reduzieren einer Dicke einer oder mehrerer der Hauptrippen 2526 und der Stützrippen 2528 ermöglicht wird oder indem ein Vergrößern einer Teilung einer oder mehrerer der Hauptrippen 2526 und der Stützrippen 2528 zugelassen wird. Wie vorstehend beschrieben kann ein Reduzieren der Dicke der Hauptrippen 2526 und der Stützrippen 2528 dazu beitragen, Stromdichtegradienten an der Plattierungsfläche zu reduzieren, und kann reduzierte Elektrodenstapelanordnungsdicken ermöglichen, die Widerstandsverluste senken können.
Unter Verweis nun auf 19 zeigt diese ein Flussdiagramm für ein Verfahren 1900 zum Zusammenbauen einer Redox-Flow-Batterie, welches jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Das Verfahren 1900 beginnt bei 1910, wo ein Plattierungselektrodenabstandshalter durch Bilden von mehreren Hauptrippen, die quer mit mehreren Stützrippen verbunden sind, ausgebildet werden kann. Das Ausbilden des Plattierungselektrodenabstandshalters kann Spritzgießen der Hauptrippen und/oder Stützrippen oder Bilden der Hauptrippen und/oder Stützrippen durch Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung umfassen. Andere Herstellungsverfahren zum Ausbilden der Hauptrippen und/oder Stützrippen umfassen Thermoformen, selektives Lasersintern (SLS), Stanzen, Extrusion, maschinelles Bearbeiten oder andere Polymerherstellungsprozesse. Wie vorstehend beschrieben können die mehreren Hauptrippen paralleler zu einer Länge der Plattierungselektrode ausgerichtet werden, und die mehreren Stützrippen können transversaler zu einer Länge der Plattierungselektrode ausgerichtet werden (z.B. paralleler zu einer Breite der Plattierungselektrode). Die Plattierungselektrodenkonfiguration kann den Plattierungselektrodenabstandshalter und die Plattierungsströmungsfeldplatte umfassen. Jede der Hauptrippen kann mit jeder der Stützrippen an Verbindungsstelle dazwischen verbunden werden, wodurch eine Anordnung von regelmäßigen gleichmäßig beabstandeten und gleich bemessenen Öffnungen gebildet wird. Die Hauptrippenteilung kann von 0,5 mm bis zu einer Breite der Plattierungselektrode reichen. Wenn die Hauptrippenteilung die Breite der Plattierungselektrode umfasst, beträgt die Anzahl an Hauptrippen 2, und jede der Hauptrippen umfasst am äußersten Rand befindliche Hauptrippen. Die Stützrippenteilung kann von 0,25 bis zu einer Länge der Plattierungselektrode reichen. Wenn die Stützrippenteilung die Länge der Plattierungselektrode umfasst, beträgt die Anzahl an Stützrippen 2 und jede der Stützrippen umfasst am äußersten Rand befindliche Stützrippen.
Wie vorstehend anhand von 16 und 17A-E beschrieben können die Hauptrippen und Stützrippen des Plattierungselektrodenabstandshalters mit Merkmalen gemäß den in Tabelle 2 gezeigten Wertebereichen ausgebildet werden. Die Werte für die Merkmale der Hauptrippen und der Stützrippen können so gewählt werden, dass sie eine erwünschte Struktursteifigkeit, Stromdichteverteilungsvarianz, Plattierungselektrodenabstandshalter-Öffnungsdichte, Elektrodenplattierungskapazität und andere vorstehend beschriebene Elektrodeneigenschaften vorsehen. Als weiteres Beispiel kann die Hauptrippengeometrie ausgelegt werden, um erwünschte Strömungseigenschaften (z.B. reduziertes Fluidzurückhalten in dem Plattierungsströmungsfeld) des Elektrolytfluids, das Flüssigkeit und/oder Gas umfassen kann, vorzusehen. Das Ausbilden der Hauptrippen und Stützrippen in dieser Weise kann somit eine Leistung des Redox-Flow-Batteriesystems steigern, während eine Haltbarkeit und Lebensdauer der Plattierungselektrode gewahrt werden. Beispielsweise können die Hauptrippen- und Stützrippenmerkmale so gewählt werden, dass sie daran angelegtem Anpressdruck standhalten. Der Anpressdruck für jede Haupt- oder Stützrippe kann als angelegte Beladung der aktiven Fläche (Newton, N) dividiert durch die Kontaktfläche (mm2) der Haupt- und Stützrippen definiert werden. Jede Haupt- und Stützrippe kann mit anderen Worten genügend strukturelle Steifigkeit bieten, um ein normales Funktionieren der Redox-Flow-Batteriezelle zu unterstützen und um ein Risiko der Verformung der Hauptrippen und Stützrippen aufgrund Fluiddruckschwankungen zu reduzieren. In einem Beispiel können die Merkmale der Hauptrippen und der Stützrippen so gewählt werden, dass sie einem Anpressdruck von 1,5 MPa oder von 0,1 bis 10 MPa standhalten. Insbesondere kann die Sützbreitendicke so gewählt werden, dass die Hauptrippen während Handhabung der Batterie, Zusammenbau und Einbau gestützt werden, um den Solldurchsatz von Elektrolyt durch das Plattierungselektrolytströmungsfeld zu bewältigen und um die erwünschte Plattierungskapazität der negativen Elektrode zu gewähren. Das Vergrößern der Hauptrippendicke kann ein Volumen zum Aufnehmen des Solldurchsatzes des Plattierungselektrolyten steigern; das Steigern der Hauptrippendicke kann aber auch den Batteriezellenwiderstand vergrößern, was die Lade- und Entladeleistung der Batterie reduzieren kann. Das Reduzieren der Hauptrippendicke kann ein Volumen zum Aufnehmen des Solldurchsatzes des Plattierungselektrolyten verringern; das Verringern der Hauptrippendicke kann aber auch den Batteriezellenwiderstand reduzieren, was die Lade- und Entladeleistung der Batterie anheben kann.
Als Nächstes fährt das Verfahren 1900 bei 1920 fort, wo der Plattierungselektrodenabstandshalter aus einem nicht leitenden Material gebildet werden kann. Nicht einschränkende Beispiele für nicht leitende Materialien umfassen: Thermokunststoffe wie schlagfestes Polystyrol, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyethylen hoher Dichte, ultrahochmolekulares Polyethylen, Polycarbonat und dergleichen; Duroplaste wie Polyester, Vinylester, Epoxide und dergleichen; faserverstärkte Kunststoffe wie FR4 und G10 Fiberglas oder faserverstärkte Platten oder dergleichen; und Kautschuke wie Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk, Santopren, Silicon, Styrol-Butadien-Kautschuk, Buna-N, thermoplastische Olefinkautschuke und dergleichen. Weiterhin kann die Plattierungselektrode aus nicht leitendem Material ohne einen leitenden Lack oder eine leitende Beschichtung gebildet werden. Des Weiteren kann das Material für die Plattierungselektrode so gewählt werden, dass es genügend strukturelle Steifigkeit wahrt, um sich über die Produktlebensdauer (z.B. > 25 Jahre) nicht unter einem Anpressdruck von 1,5 MPa oder von 0,1 MPa bis 10 MPa wesentlich zu verformen. Das Ausbilden des Plattierungselektrodenabstandshalters aus einem nicht leitenden Material umfasst das Bilden des Plattierungselektrodenabstandshalters ohne Beschichten des Plattierungselektrodenabstandhalters mit einer leitenden Beschichtung.
Das Verfahren 1900 fährt bei 1930 fort, wo der Plattierungselektrodenabstandshalter (Negativelektrodenabstandshalter) zwischen die Membran und die Plattierungsströmungsfeldplatte (negative Strömungsfeldplatte) an der Plattierungsseite (negativen Seite) der Membran dazwischen gesetzt wird. Somit wird das Plattierungselektrolytströmungsfeld (negative Elektrolytströmungsfeld) sandwichartig zwischen die Membran und die Plattierungsströmungsfeldplatte gesetzt und wird von dem Plattierungselektrodenabstandshalter geträgert, wie in 20A gezeigt ist. In dem Fall, da die negative Strömungsfeldplatte eine flache negative Strömungsfeldplatte umfasst, kann die zur Membran weisende Seite der negativen Strömungsfeldplatte eine durchgehend glatte Fläche ohne Vorsprünge oder Öffnungen oder andere Unstetigkeiten sein. Weiterhin bildet die flache Plattierungsströmungsfeldplatte ein Plattierungselektrolyt-Strömungsfeld ohne IDFF-Kanäle. Anders gesagt sind die Plattierungsströmungsfeldplatte und die Membran durch die Hauptrippen beabstandet und schließen das nicht ineinandergreifende Plattierungselektrolytströmungsfeld dazwischen ein. In manchen Darstellungen kann das Positionieren des Plattierungselektrodenabstandhalters zwischen der Membran und der Plattierungsströmungsfeldplatte an der Plattierungsseite der Membran das Anbringen der Membran an dem Plattierungselektrodenabstandshalter gegenüber der Plattierungsströmungsfeldplatte umfassen, wie vorstehend anhand 23A-F beschrieben ist. In anderen Darstellungen können die Hauptrippen und die Stützrippen des Plattierungselektrodenabstandhalters an einer Bilderrahmenstruktur montiert sein; weiterhin kann die negative Strömungsfeldplatte an einer Seite gegenüber der zur Membran weisenden Seite der Hauptrippen und der Stützrippen an der Bilderrahmenstruktur montiert sein. Das Verfahren 1900 fährt bei 1940 fort, wo die Redoxelektrode (positive Elektrode) zwischen die Membran und die Redoxströmungsfeldplatte (positive Strömungsfeldplatte) an der Redoxseite (positiven Seite) der Membran dazwischen gesetzt wird. Somit ist das Redoxelektrolytströmungsfeld (positive Elektrolytströmungsfeld) sandwichartig zwischen die Redoxelektrode und die Redoxströmungsfeldplatte gesetzt, wie in 20A gezeigt ist.
Bei 1950 werden die Hauptrippen des Plattierungselektrodenabstandshalters in der Elektrodenstapelanordnung über die Membran von den Rippen der Redoxströmungsfeldplatte ausgerichtet und werden parallel zu den Rippen der Redoxströmungsfeldplatte orientiert, wie in 20B gezeigt ist. In dem Fall, da die Redoxelektrodenkonfiguration eine ineinandergreifende Strömungsfeldplatte umfasst, werden die Hauptrippen so orientiert, dass sie von den Rippen der IDFF-Platte paralleler zu und über die Membran verlaufen. Somit werden während Zusammenbau und Betrieb der Redox-Flow-Batterie die Hauptrippen des Plattierungselektrodenabstandshalters von den Rippen der Redoxströmungsfeldplatte über die Membran gegenüberliegend gelagert. Bei Pressen der Plattierungsströmungsfeldplatte und der Redoxströmungsfeldplatte hin zur Membran werden somit die Form und die Strömung des Plattierungselektrolytströmungsfelds beibehalten. Das Verfahren 1900 fährt bei 1960 fort, wo Metall von dem Plattierungselektrolyt auf die Plattierungsströmungsfeldplatte plattiert wird. Insbesondere kann das Plattieren der Plattierungselektrode das elektrochemische Abscheiden von Metall von reduzierten Metallionen in dem Plattierungselektrolyten auf die Oberfläche der Plattierungsströmungsfeldplatte umfassen. Nach 1960 endet das Verfahren 1900.
Auf diese Weise kann eine Redox-Flow-Batterie eine Membran umfassen, die zwischen eine an einer ersten Seite der Membran positionierten ersten Elektrode und einer an einer zweiten Seite der Membran gegenüber der ersten Seite positionierte zweite Elektrode gesetzt ist. Die Redox-Flow-Batterie kann eine erste Strömungsfeldplatte enthalten, welche mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst, wobei jede der mehreren positiven Strömungsfeldrippen die erste Elektrode an ersten Stützregionen an der ersten Seite und die zweite Elektrode, einschließlich einen Elektrodenabstandshalter, der zwischen der Membran und einer zweiten Strömungsfeldplatte positioniert ist, kontaktiert, wobei der Elektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst, wobei jede der mehreren Hauptrippen die zweite Strömungsfeldplatte an zweiten Stützregionen an der zweiten Seite kontaktiert, wobei jede der zweiten Stützregionen gegenüber einer der mehreren ersten Stützregionen ausgerichtet ist. In einem Beispiel kann die zweite Elektrode die zweite Strömungsfeldplatte umfassen, die an der zweiten Seite positioniert ist, wobei die zweite Seite und die zweite Strömungsfeldplatte dazwischen ein nicht ineinandergreifendes Strömungsfeld bilden. In einem anderen Beispiel kann die zweite Strömungsfeldplatte eine durchgehend glatte Fläche ohne Vorsprünge umfassen, wobei die durchgehend glatte Fläche hin zum Elektrodenabstandshalter weist und jede der mehreren Hauptrippen an den zweiten Stützregionen kontaktiert. Weiterhin kann der Elektrodenabstandshalter mehrere Stützrippen umfassen, und jede der Stützrippen kann quer zu jeder der Hauptrippen orientiert sein und kann nicht verwebt eine oder mehrere der Hauptrippen kontaktieren. Des Weiteren können die mehreren Hauptrippen von den mehreren Stützrippen vorstehen, wobei sie sich weg von der zweiten Seite erstrecken, und die Anzahl der mehreren Hauptrippen kann größer als die Anzahl der mehreren Stützrippen sein. In einem weiteren Beispiel kann der Elektrodenabstandshalter einen steifen Rahmen umfassen, der die mehreren Hauptrippen und die mehreren Stützrippen umgibt, und Längsenden der mehreren Hauptrippen und Breitenenden der mehreren Stützrippen können an dem steifen Rahmen montiert sein. Weiterhin kann die zweite Strömungsfeldplatte an dem steifen Rahmen montiert sein, und bei Montieren der zweiten Strömungsfeldplatte an den steifen Rahmen kann die durchgehend glatte Fläche die mehreren Hauptrippen an den zweiten Stützregionen kontaktieren.
In einer anderen Ausführungsform kann ein Verfahren, welches jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zum Zusammenbauen einer Redox-Flow-Batterie an einer Plattierungsseite einer Membran das sandwichartige Einfügen eines Plattierungselektrolytströmungsfelds und eines Plattierungselektrodenabstandhalters zwischen die Membran und eine Plattierungsströmungsfeldplatte umfassen, wobei der Plattierungselektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst. Weiterhin kann das Verfahren an einer Redoxseite der Membran das sandwichartige Einfügen eines Redoxelektrolytströmungsfelds zwischen einer Redoxelektrode und einer Redoxströmungsfeldplatte umfassen, wobei die Redoxelektrode mehrere positive Strömungsfeldrippen. Des Weiteren kann das Verfahren das Ausrichten jeder der mehreren Hauptrippen mit den mehreren positiven Strömungsfeldrippen umfassen, wobei bei Pressen der Plattierungströmungsfeldplatte und der Redoxströmungsfeldplatte hin zur Membran die Hauptrippen von den positiven Strömungsfeldrippen über der Membran gegenüberliegend gelagert werden, ohne dass ein Maß des Plattierungselektrolytströmungsfelds wesentlich geändert wird. In einem Beispiel kann das Verfahren das Ausbilden der mehreren Hauptrippen und das Ausbilden von mehreren Stützrippen, die quer in nicht verwebter Weise mit den mehreren Hauptrippen verbunden sind, umfassen. Weiterhin kann das Ausbilden der mehreren Hauptrippen und das Ausbilden der mehreren Stützrippen das Ausbilden der mehreren Hauptrippen und der mehreren Stützrippen aus einem nicht leitenden Material ohne leitende Beschichtung umfassen. In einem anderen Beispiel kann das Verfahren das Plattieren von Metall von einem Plattierungselektrolyt auf die Plattierungsströmungsfeldplatte während Laden der Redox-Flow-Zellbatterie ohne Plattieren des Metalls auf den Plattierungselektrodenabstandshalter umfassen. In einem noch weiteren Beispiel kann das Verfahren das Integrieren des Plattierungselektrodenabstandhalters mit der Membran durch Anbringend es Plattierungselektrodenabstandhalters an der Membran umfassen. Zudem kann das Integrieren des Plattierungselektrodenabstandhalters mit der Membran das thermische Schweißen der Membran an den Plattierungselektrodenabstandshalter umfassen.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Redox-Flow-Batterie einen Negativelektrodenabstandshalter, der zwischen eine negative Seite einer Membran und eine negative Strömungsfeldplatte gesetzt ist, sowie eine positive Elektrode, die zwischen eine positive Seite einer Membran und eine positive Strömungsfeldplatte gesetzt ist, umfassen. Weiterhin kann der Negativelektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfassen, die positive Elektrode kann mehrere positive Strömungsfeldrippen umfassen, die über die Membran von den mehreren Hauptrippen gegenüberliegend ausgerichtet sind, und die negative Strömungsfeldplatte kann eine durchgehend glatte Plattierungsfläche umfassen, die zur Membran weist, wobei die Plattierungsfläche und die Membran dazwischen ein nicht ineinandergreifendes negatives Elektrolytströmungsfeld sandwichartig einschließen. In einem Beispiel kann der Negativelektrodenabstandshalter mehrere Stützrippen und eine Anordnung von gleich bemessenen Öffnungen umfassen, die durch das querlaufende und nicht verwebte Verbinden der mehreren Hauptrippen mit den mehreren Stützrippen gebildet sind. In einem anderen Beispiel können die Hauptrippen feste monolithische Strukturen mit konstanten Querschnitten in einer Längsrichtung der Hauptrippen umfassen. Weiterhin können die Hauptrippen feste monolithische Strukturen mit konstanten Querschnitten entlang einer Achse senkrecht zur Ebene der negativen Strömungsfeldplatte umfassen. Des Weiteren kann die Teilung der Stützrippen kleiner als eine Teilung der Hauptrippen sein, und die mehreren Hauptrippen können paralleler zu einer Breite der negativen Elektrode orientiert sein, und die mehreren Stützrippen sind paralleler zu einer Länge der negativen Elektrode orientiert.
Auf diese Weise kann ein neuartiges Redox-Flow-Batteriesystem mit einem größeren Elektrodenabstand vorgesehen werden, wodurch höhere Plattierungsstromdichten und Batterieladungskapazitäten geboten und höhere Elektrolytströmungs- und Gasblasenentwicklungsraten bewältigt werden. Weiterhin können Stromdichteverteilungsvarianz, ohmsche Verluste, Batteriekurzschluss und Herstellungskosten sowie Betriebskosten verringert werden. In dem Fall, da der Elektrodenabstandshalter fest an einer umrandeten Umfangsregion montiert ist, können dem Elektrodenabstandshalter eine höhere strukturelle Unversehrtheit, die dazu beiträgt, die Ebenheit zu wahren, und relative Ausrichtungen der Haupt- und Stützrippen des Elektrodenabstandshalters und der Membran 2410 vermittelt werden. In einigen Beispielen kann die zusätzliche strukturelle Abstützung, die durch Montieren der Hauptrippen und der Stützrippen an der inaktiven Umfangsregion gewonnen wird, das Vergrößern einer Plattierungskapazität, das Reduzieren von Stromdichteverteilungsvarianz an der Plattierungsoberfläche und das Reduzieren von Widerstandsverlusten des Redox-Flow-Batteriesystems unterstützen.
Es versteht sich ebenfalls, 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 andere Flow-Batterietypen übertragen 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.
Dies beendet die Beschreibung. Das Lesen derselben durch Fachleute könnte viele Änderungen und Abwandlungen nahe legen, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. Aus der vorliegenden Beschreibung können beispielsweise Hybrid-Redox-Flow-Batteriesysteme, All-Eisen-Hybrid-Redox-Flow-Batteriesysteme und andere Redox-Flow-Batteriesysteme allesamt Nutzen ziehen.
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 14984416 [0001]
US 14/984416 [0001]
US 62098200 [0001]

Claims

Redox-Flow-Batterie, umfassend: eine Membran, die zwischen eine an einer ersten Seite der Membran positionierte erste Elektrode und eine an einer zweiten Seite der Membran gegenüber der ersten Seite positionierte zweite Elektrode gesetzt ist; eine erste Strömungsfeldplatte, welche mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst, wobei jede der mehreren positiven Strömungsfeldrippen die erste Elektrode an ersten Stützregionen an der ersten Seite kontaktiert; und die zweite Elektrode, mit einem zwischen der Membran und einer zweiten Strömungsfeldplatte positionierten Elektrodenabstandshalter, wobei der Elektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst, wobei jede der mehreren Hauptrippen die zweite Strömungsfeldplatte an zweiten Stützregionen an der zweiten Seite kontaktiert, wobei jede der zweiten Stützregionen gegenüber einer der mehreren ersten Stützregionen ausgerichtet ist.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode weiterhin die zweite Strömungsfeldplatte umfasst, die an der zweiten Seite positioniert ist, wobei die zweite Seite und die zweite Strömungsfeldplatte dazwischen ein nicht ineinandergreifendes Strömungsfeld bilden.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 2, wobei die zweite Strömungsfeldplatte eine durchgehend glatte Fläche ohne Vorsprünge umfasst, wobei die durchgehend glatte Fläche hin zum Elektrodenabstandshalter weist und jede der mehreren Hauptrippen an den zweiten Stützregionen kontaktiert.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 3, wobei der Elektrodenabstandshalter weiterhin mehrere Stützrippen umfassen, und jede der Stützrippen quer zu jeder der Hauptrippen orientiert ist und nicht verwebt eine oder mehrere der Hauptrippen kontaktiert.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 4, wobei die mehreren Hauptrippen von den mehreren Stützrippen abstehen, wobei sie sich weg von der zweiten Seite erstrecken.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 5, wobei eine Anzahl der mehreren Hauptrippen größer als eine Anzahl der mehreren Stützrippen ist.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 6, wobei der Elektrodenabstandshalter weiterhin einen steifen Rahmen umfasst, der die mehreren Hauptrippen und die mehreren Stützrippen umgibt, wobei Längsenden der mehreren Hauptrippen und Breitenenden der mehreren Stützrippen an dem steifen Rahmen montiert sind.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 7, wobei die zweite Strömungsfeldplatte an dem steifen Rahmen montiert ist und bei Montieren der zweiten Strömungsfeldplatte an den steifen Rahmen die durchgehend glatte Fläche die mehreren Hauptrippen an den zweiten Stützregionen kontaktiert.
Redox-Flow-Batterie, umfassend: einen Negativelektrodenabstandshalter, der zwischen eine negative Seite einer Membran und eine negative Strömungsfeldplatte gesetzt ist, und eine positive Elektrode, die zwischen eine positive Seite einer Membran und eine positive Strömungsfeldplatte gesetzt ist, wobei der Negativelektrodenabstandshalter mehrere Hauptrippen umfasst, die positive Elektrode mehrere positive Strömungsfeldrippen umfasst, die über die Membran von den mehreren Hauptrippen gegenüberliegend ausgerichtet sind, und die negative Strömungsfeldplatte eine durchgehend glatte Plattierungsfläche umfasst, die zur Membran weist, wobei die Plattierungsfläche und die Membran dazwischen ein nicht ineinandergreifendes negatives Elektrolytströmungsfeld sandwichartig einschließen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 9, wobei der Negativelektrodenabstandshalter mehrere Stützrippen und eine Anordnung von gleich bemessenen Öffnungen umfasst, die durch das querlaufende und nicht verwebte Verbinden der mehreren Hauptrippen mit den mehreren Stützrippen gebildet sind.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 10, wobei die Hauptrippen feste monolithische Strukturen mit konstanten Querschnitten in einer Längsrichtung der Hauptrippen umfassen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 11, wobei die Hauptrippen feste monolithische Strukturen mit konstanten Querschnitten entlang einer Achse senkrecht zur Ebene der negativen Strömungsfeldplatte umfassen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 12, wobei eine Teilung der Stützrippen kleiner als eine Teilung der Hauptrippen ist.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 13, wobei die mehreren Hauptrippen paralleler zu einer Breite der negativen Elektrode orientiert sind und die mehreren Stützrippen paralleler zu einer Länge der negativen Elektrode orientiert sind.