DE202022100954U1 - Flow cell with improved structure - Google Patents
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Abstract
Fluiddurchströmbare Flusszelle (10), aufweisend wenigstens zwei Grundplatten (12, 14), zwischen welchen wenigstens ein Durchflusselement (16) mit wenigstens einer Fluidführung (18) zum Führen eines Fluidstroms (20) angeordnet ist, wobei das Durchflusselement (16) zumindest zum Teil aus einem Dichtmaterial ausgebildet ist und dichtend an den Grundplatten (12, 14) oder einer an den Grundplatten (12, 14) vorliegenden Schutzschicht anliegt, indem die Grundplatten (12, 14) das Durchflusselement (16) zwischen sich einpressend aneinander fixierbar sind, wobei wenigstens eine Grundplatte (12, 14) wenigstens einen mit der Fluidführung (18) fluidisch verbundenen Fluidanschluss (28) und gegebenenfalls wenigstens einen weiteren Funktionsanschluss aufweist, und insbesondere wobei die Grundplatten (12, 14) Verbindungsmittel (34) zum mechanischen Verbinden zweier Flusszellen (10) aufweisen. Flow cell (10) through which fluid can flow, having at least two base plates (12, 14), between which at least one flow element (16) with at least one fluid guide (18) for guiding a fluid flow (20) is arranged, the flow element (16) at least in part is made of a sealing material and is in sealing contact with the base plates (12, 14) or a protective layer present on the base plates (12, 14), in that the base plates (12, 14) can be fixed to one another by pressing the flow-through element (16) between them, wherein at least one base plate (12, 14) has at least one fluid connection (28) fluidically connected to the fluid guide (18) and optionally at least one further functional connection, and in particular wherein the base plates (12, 14) have connecting means (34) for mechanically connecting two flow cells ( 10) have.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flusszelle mit einem verbesserten Aufbau. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Flusszelle, mit der auf einfache Weise eine sehr breite Anwendbarkeit möglich ist.The present invention relates to a flow cell of improved construction. The present invention relates in particular to a flow cell with which a very wide range of applications is possible in a simple manner.
Flusszellen sind für eine Vielzahl von Anwendungen bekannt. Durch die unterschiedlichen Anwendungsgebiete sind die Flusszellen meist spezifisch ausgestaltet, um so die gewünschten Eigenschaften ermöglichen zu können. Somit sind bekannte Flusszellen meist nur für spezifische Detaillösungen geeignet.Flow cells are known for a variety of applications. Due to the different areas of application, the flow cells are usually specifically designed in order to be able to enable the desired properties. Thus, known flow cells are usually only suitable for specific detailed solutions.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können jedoch noch Verbesserungspotential aufweisen, insbesondere hinsichtlich ihres Aufbaus.However, the solutions known from the prior art can still have potential for improvement, in particular with regard to their structure.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maßnahme zu schaffen, durch welche wenigstens ein Nachteil des Stands der Technik zumindest teilweise überwunden wird. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher der Aufbau und/oder die Anwendbarkeit von Flusszellen verbessert werden kann.It is therefore the object of the present invention to provide a measure by which at least one disadvantage of the prior art is at least partially overcome. It is in particular an object of the present invention to provide a solution by means of which the construction and/or the applicability of flow cells can be improved.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Flusszelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The object is achieved according to the invention by a flow cell with the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims, in the description and in the figures, with further features described or shown in the subclaims or in the description or the figures individually or in any combination, unless the context clearly indicates the contrary.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine fluiddurchströmbare Flusszelle, aufweisend wenigstens zwei Grundplatten, zwischen welchen wenigstens ein Durchflusselement mit wenigstens einer Fluidführung zum Führen eines Fluidstroms angeordnet ist, wobei das Durchflusselement zumindest zum Teil aus einem Dichtmaterial ausgebildet ist und dichtend an den Grundplatten oder einer an den Grundplatten vorliegenden einlagigen oder mehrlagigen Schutzschicht anliegt, indem die Grundplatten das Durchflusselement zwischen sich einpressend aneinander fixierbar sind, wobei wenigstens eine Grundplatte wenigstens einen mit der Fluidführung fluidisch verbundenen Fluidanschluss und gegebenenfalls wenigstens einen weiteren Funktionsanschluss aufweist, und wobei die Grundplatten Verbindungsmittel zum mechanischen Verbinden zweier Flusszellen aufweisen.The present invention relates to a flow cell through which fluid can flow, having at least two base plates, between which at least one flow element with at least one fluid guide for guiding a fluid flow is arranged, the flow element being formed at least in part from a sealing material and sealingly on the base plates or one on the base plates present single-layer or multi-layer protective layer, in that the base plates can be fixed to one another by pressing the flow-through element between them, wherein at least one base plate has at least one fluid connection fluidically connected to the fluid guide and optionally at least one further functional connection, and wherein the base plates have connection means for mechanically connecting two flow cells .
Eine derartige Flusszelle kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile erlauben.A flow cell of this type can allow significant advantages over the solutions from the prior art.
Beschrieben wird eine fluiddurchströmbare Flusszelle. Unter dem Begriff „fluiddurchströmbar“ soll verstanden werden, dass die Flusszelle wenigstens einen Eingang und wenigstens einen Ausgang aufweist, durch welchen ein Fluid, wie etwa ein Gas oder eine Flüssigkeit, fließen kann. Ferner kann die Flusszelle grundsätzlich für verschiedenste Anwendungen geeignet sein, wie etwa als elektrochemische Flusszelle, als analytische Flusszelle, als Reaktionszelle, usw. ohne auf die vorgenannten Eigenschaften begrenzt zu sein.A flow cell through which fluid can flow is described. The term “through which fluid can flow” should be understood to mean that the flow cell has at least one inlet and at least one outlet through which a fluid, such as a gas or a liquid, can flow. Furthermore, the flow cell can in principle be suitable for a wide variety of applications, such as an electrochemical flow cell, an analytical flow cell, a reaction cell, etc., without being limited to the aforementioned properties.
Die Flusszelle umfasst zwei Grundplatten, zwischen welchen wenigstens ein Durchflusselement mit wenigstens einer Fluidführung zum Führen eines Fluidstroms angeordnet ist. Die beiden Grundplatten sind somit hinsichtlich des Durchflusselements gegenüberliegend angeordnet und können der mechanischen Stabilität der Flusszelle dienen. Ferner können die Grundplatten, wie auch das Durchflusselement, dazu dienen, entsprechende Funktionalitäten anzuschließen, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird.The flow cell comprises two base plates, between which at least one flow element with at least one fluid guide for guiding a fluid flow is arranged. The two base plates are thus arranged opposite one another with regard to the flow element and can serve to ensure the mechanical stability of the flow cell. Furthermore, the base plates, like the flow-through element, can be used to connect corresponding functionalities, as will be described in more detail below.
Das wenigstens eine Durchflusselement ist zwischen den Grundplatten angeordnet und wird insbesondere durch die Grundplatten fixiert, sie dient dazu, das Fluid zu führen und weist entsprechend wenigstens eine Fluidführung auf. Das die Flusszelle durchströmende Fluid oder die die Flusszelle durchströmenden Fluide strömen somit durch die Fluidführung.The at least one flow element is arranged between the base plates and is in particular fixed by the base plates, it serves to guide the fluid and accordingly has at least one fluid guide. The fluid flowing through or through the flow cell Flowing fluids thus flow through the fluid guide.
Das Durchflusselement ist dabei zumindest zum Teil aus einem Dichtmaterial ausgebildet und liegt dichtend an den Grundplatten oder einer an der Grundplatte versehenen Schutzschicht an. Entsprechend sollten bevorzugt zumindest die mit den Grundplatten oder mit der Schutzschicht in Kontakt kommenden Bereiche des Durchflusselements aus einem Dichtmaterial ausgebildet sein.The flow-through element is at least partially made of a sealing material and is in sealing contact with the base plates or a protective layer provided on the base plate. Correspondingly, preferably at least the areas of the flow element that come into contact with the base plates or with the protective layer should be made of a sealing material.
Unter einem Dichtmaterial ist insbesondere ein solches Material zu verstehen, welches dazu geeignet ist, zu verhindern, dass ein Fluid nicht zwischen den abzudichtenden Komponenten austritt. Entsprechend kann es von Vorteil sein, wenn das Dichtmaterial ein elastisches Material ist welches sich bei Ausübung von Druck an die Kontaktkomponente anschmiegen kann, um so einen Dichteffekt hervorzurufen. Dadurch kann eine äußerst robuste Abdichtung ermöglicht werden. Beispielsweise kann das Dichtmaterial einen elastischen Kunststoff, wie etwa ein thermoplastisches Elastomer (TPE), ein Polyurethanharz oder auch EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) umfassen. Ein Beispiel umfasst das unter dem Namen Santoprene vertriebene Produkt, welches Ethylen-Propylen-Dien-Kautschukpartikeln (EPDM) in einer Matrix aus Polypropylen (PP) umfasst. Weitere Beispiele umfassen etwa Dichtmaterialien aus harten Kunststoffen, wie etwa Polyethylenschaum oder expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), oder auch Flachdichtungsmaterialien, wie beispielsweise Graphit. Grundsätzlich sollte die Auswahl des Dichtmaterials angepasst werden an das zu verwendende Fluid, um so eine negative Beeinflussung des Dichtmaterials durch das Fluid oder in dem Fluid vorliegende Bestandteile zu verhindern.A sealing material is to be understood in particular as a material which is suitable for preventing a fluid from escaping between the components to be sealed. Accordingly, it can be advantageous if the sealing material is an elastic material which can cling to the contact component when pressure is exerted, in order to bring about a sealing effect in this way. This allows an extremely robust seal to be made possible. For example, the sealing material can include an elastic plastic such as a thermoplastic elastomer (TPE), a polyurethane resin or also EPDM (ethylene propylene diene rubber). An example includes the product sold under the name Santoprene, which comprises ethylene propylene diene rubber particles (EPDM) in a polypropylene (PP) matrix. Other examples include sealing materials made from hard plastics, such as polyethylene foam or expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE), or flat gasket materials, such as graphite. In principle, the selection of the sealing material should be adapted to the fluid to be used in order to prevent the sealing material from being negatively influenced by the fluid or components present in the fluid.
Das Dichtmaterial kann ferner einen Dichteffekt hervorrufen, indem die Grundplatten das Durchflusselement zwischen sich einpressend aneinander fixierbar sind. Somit können die Grundplatten mechanisch miteinander verbunden werden und dabei das Durchflusselement zwischen sich einpressen, wodurch wiederum das Dichtmaterial an die Grundplatten gepresst wird. Dies kann etwa realisierbar sein, indem unter Verwendung von Schrauben und Muttern beziehungsweise Gewinden die Grundplatten zueinander bewegt werden können und das Durchflusselement so zwischen sich einpressen können. Die Grundplatten dienen somit auch dazu, eine Flächenpressung auf das auch als Flowframe-Modul zu bezeichnende Durchflusselement auszuüben und so eine Abdichtung zu ermöglichen. Dadurch ist die Abdichtung besonders dicht und Leckagen können deutlich reduziert oder sogar vollständig verhindert werden, was die Fehleranfälligkeit ebenfalls weiter reduzieren kann.The sealing material can also bring about a sealing effect in that the base plates can be fixed to one another by pressing the flow-through element between them. The base plates can thus be mechanically connected to one another and the flow-through element pressed between them, which in turn presses the sealing material against the base plates. This can be realized, for example, by using screws and nuts or threads to move the base plates towards one another and thus to press the flow-through element between them. The base plates thus also serve to exert surface pressure on the flow element, which can also be referred to as a flow frame module, and thus enable sealing. As a result, the seal is particularly tight and leaks can be significantly reduced or even completely prevented, which can also further reduce the susceptibility to errors.
Eine geeignete und insbesondere vordefinierte Flächenpressung kann dabei von Vorteil sein, um einerseits die Materialien zu schonen und andererseits einen definierten Dichteffekt zu erzielen. Eine definierte Flächenpressung kann beispielsweise eingestellt werden, indem entsprechende Schrauben, welche die Grundplatten verbinden, mit einem Drehmomentschlüssel mit einem bestimmten Drehmoment angezogen werden.A suitable and in particular predefined surface pressure can be advantageous in order to protect the materials on the one hand and to achieve a defined sealing effect on the other. A defined surface pressure can be set, for example, by using a torque wrench to tighten corresponding screws that connect the base plates to a specific torque.
Alternativ können zwischen den Grundplatten und beispielsweise Verbindungsschrauben umgreifend ein oder mehrere Abstandshalter, wie etwa Unterlegscheiben beziehungsweise Passscheiben, angeordnet werden, um so einen definierten Abstand zwischen den Grundplatten einzustellen. In anderen Worten kann es von Vorteil sein, dass zwischen den Grundplatten wenigstens ein nicht komprimierbarer Abstandshalter zum Einstellen eines definierten Abstands zwischen den Grundplatten angeordnet ist. Die Kompression der Dichtungslagen kann so über den Abstand der Grundplatten genauer eingestellt werden. Dies ist vorteilhaft anwendbar, wenn die Grundplatten durch Schrauben verbunden werden und die Schrauben seitlich entnehmbar sind, so dass die Abstandshalter auf der Schraube verbleiben können. Zusätzliche Werkzeuge, wie etwa Drehmomentschlüssel, entfallen so und die Fehleranfälligkeit entfällt, da die Schrauben nicht weiter angezogen werden können, als es die Passscheiben zulassen.Alternatively, one or more spacers, such as washers or shims, can be arranged between the base plates and connecting screws, for example, in order to set a defined distance between the base plates. In other words, it can be advantageous for at least one non-compressible spacer to set a defined distance between the base plates to be arranged between the base plates. The compression of the sealing layers can thus be adjusted more precisely via the distance between the base plates. This can be used to advantage if the base plates are connected by screws and the screws can be removed from the side so that the spacers can remain on the screw. Additional tools, such as a torque wrench, are no longer necessary and there is no susceptibility to errors, since the screws cannot be tightened further than the shims allow.
Grundsätzlich kann ein vorteilhafter Dichteffekt durch eine hohe und einstellbare Flächenpressung ermöglicht werden, wenn wenigstens eine als Dichtungsschicht fungierende Schicht eine Dichtwulst ausbildet.In principle, an advantageous sealing effect can be made possible by a high and adjustable surface pressure if at least one layer functioning as a sealing layer forms a sealing bead.
Die Dichtigkeit kann dabei ferner ebenfalls besonders vorteilhaft sein, wenn Membranen oder Sensoren integriert sind, da die Dichtungslagen, die ein Durchflusselement bilden, zu einem großen Teil oder vollständig aus einem elastischen Material bestehen. Eingesetzte Membranen oder Sensoren können daher zu einem großen Teil oder vollständig von Dichtungsmaterial umschlossen sein und somit dicht eingebaut werden. Beispielsweise können in das Durchflusselement beziehungsweise den Dichtmaterialien Rundlöcher erzeugt werden, etwa durch lokales Aufschmelzen des thermoplastischen Elastomers, über die Sensoren eingebracht werden können. Die elektrischen Kontakte können ebenfalls in das Durchflusselement integriert sein. Dabei können Anschlüsse an den Grundplatten vorliegen und dann eine elektrische Leitung in das Durchflusselement führen oder die elektrischen Kontakte können unmittelbar in das Durchflusselement verlaufen. Gleiches gilt gegebenenfalls für Sensoren oder andere Funktionalitäten.Furthermore, the tightness can also be particularly advantageous if membranes or sensors are integrated, since the sealing layers that form a flow-through element consist largely or entirely of an elastic material. The membranes or sensors used can therefore be largely or completely surrounded by sealing material and can therefore be installed tightly. For example, round holes can be created in the flow element or the sealing materials, for example by locally melting the thermoplastic elastomer, through which sensors can be introduced. The electrical contacts can also be integrated into the flow element. In this case, connections can be present on the base plates and then lead an electrical line into the flow-through element, or the electrical contacts can run directly into the flow-through element. The same may apply to sensors or other functionalities.
Eine symmetrische Verteilung der Dichtungsfläche kann für eine gleichmäßige Flächenpressung sorgen. Zusätzlich können innere Stützstrukturen die Dichtungslagen gezielt an den Dichtkanten stützen. Mehrere Dichtungslagen können dabei ein Verbundbauteil nach Verbinden formen etwa durch Pressung, Klebung, Verschweißung.A symmetrical distribution of the sealing surface can ensure an even surface pressure. In addition, internal support structures can specifically support the gasket layers at the sealing edges. Several gasket layers can form a composite component after they have been connected, for example by pressing, gluing or welding.
Hinsichtlich des Anschließens von Funktionalitäten an den Grundplatten beziehungsweise an wenigstens einer Grundplatte ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Grundplatte wenigstens einen mit der Fluidführung fluidisch verbundenen Fluidanschluss, etwa Schlauchanschluss, und gegebenenfalls wenigstens einen weiteren Funktionsanschluss aufweist. Hinsichtlich der Positionierung der Fluidanschlüsse kann es von Vorteil sein, dass diese in einer zur Durchflussrichtung rechtwinklig angeordneten Richtung, insbesondere in der Ebene der Grundplatten, asymmetrisch auf der Grundplatte liegen beziehungsweise einen asymmetrischen Abstand zur Mittelachse aufweisen. So können die Fluidanschlüsse näher an einander platziert werden, während die Strömungskanäle von den beiden Grundplatten aneinander vorbei fließen können. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein für Stacks von mehreren Lagen beziehungsweise Zellen.With regard to the connection of functionalities to the base plates or to at least one base plate, it is provided that at least one base plate has at least one fluid connection, such as a hose connection, which is fluidically connected to the fluid guide, and optionally at least one further function connection. With regard to the positioning of the fluid connections, it can be advantageous for them to lie asymmetrically on the baseplate or have an asymmetrical distance from the central axis in a direction perpendicular to the flow direction, in particular in the plane of the baseplates. In this way, the fluid connections can be placed closer to one another, while the flow channels from the two base plates can flow past one another. This can be particularly advantageous for stacks of multiple layers or cells.
Somit kann eine Zuleitung für das Fluid, welches die Flusszelle durchströmen soll und eine Ableitung für das Fluid, welches die Flusszelle durchströmt hat, an wenigstens einer Grundplatte oder auch an beiden Grundplatten, vorgesehen sein. Die Fluidanschlüsse können beispielsweise in die Grundplatte geschraubt werden. Bevorzugt ist es, wenn ein Einfügen, wie etwa ein Einschrauben, der Fluidanschlüsse in die Grundplatte derart erfolgt, dass das innere Ende des Fluidanschlusses, wie etwa ein Schlauchverbinder-Gewinde, bündig mit den Grundplatten abschließt. Dies ermöglicht, dass folgende Dichtungslagen direkt auf dem Schlauchverbinder aufliegen und aufgrund eines so ermöglichten sehr guten Dichteffekts, dass das durchströmende Fluid nie Kontakt zu den Grundplatten hat. Hinsichtlich der chemischen Beständigkeit können etwa Fluidanschlüsse aus Kunststoffen von Vorteil sein.Thus, a feed line for the fluid that is to flow through the flow cell and a discharge line for the fluid that has flowed through the flow cell can be provided on at least one base plate or on both base plates. The fluid connections can be screwed into the base plate, for example. It is preferred if the fluid connections are inserted, such as screwing, into the base plate in such a way that the inner end of the fluid connection, such as a hose connector thread, is flush with the base plates. This enables subsequent sealing layers to lie directly on the hose connector and, thanks to the very good sealing effect that is made possible in this way, the fluid flowing through never has contact with the base plates. With regard to chemical resistance, fluid connections made of plastic can be advantageous.
Die Fluidanschlüsse beziehungsweise die Zuleitung und die Ableitung sind dann zweckmäßiger Weise mit der Fluidführung verbunden. Es ist jedoch möglich, dass die Grundplatten gleich ausgestaltet sind und somit die grundsätzliche Anschlussmöglichkeit für Funktionalitäten an beiden Grundplatten vorgesehen sind, seien sie verwendet oder nicht.The fluid connections or the supply line and the discharge line are then expediently connected to the fluid guide. However, it is possible for the base plates to be designed in the same way and thus for the basic connection option for functionalities to be provided on both base plates, whether they are used or not.
Es versteht sich, dass je nach Anwendung auch mehr als zwei Fluidanschlüsse vorgesehen sein können und somit mehr als eine Zuleitung und mehr als eine Ableitung vorgesehen sein können, um eine Mehrzahl an Fluidströmen zu verwenden.It goes without saying that, depending on the application, more than two fluid connections can also be provided and thus more than one supply line and more than one discharge line can be provided in order to use a plurality of fluid flows.
Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, wenn die Grundplatten eine Mehrzahl von Durchgangslöchern beziehungsweise Funktionsbohrungen aufweisen, die dazu verwendet werden können, Funktionsanschlüsse einzubringen oder auch Grundplatten etwa mittels Schrauben miteinander zu verbinden. Hierzu kann es von Vorteil sein, wenn die Innenwandungen der Löcher mit einem Innengewinde ausgestattet sind.In principle, it can be advantageous if the base plates have a plurality of through holes or functional bores, which can be used to introduce functional connections or also to connect base plates to one another, for example by means of screws. For this purpose, it can be advantageous if the inner walls of the holes are equipped with an internal thread.
Zum Verbinden zweier Grundplatten einer Flusszelle kann es ferner von Vorteil sein, wenn die Grundplatten an den Seiten u-förmige Materialausnehmungen aufweisen. Dadurch können etwa Schrauben beziehungsweise eine Schrauben-Mutter-Anordnung von der Seite eingefügt werden und die Grundplatten so verschraubt werden, wobei das Durchflusselement zwischen den Grundplatten eingepresst werden kann. Entsprechend kann es besonders bevorzugt sein, dass zwei hinsichtlich des Durchflusselements gegenüberliegend angeordnete Grundplatten seitlich geöffnete U-Förmige Aussparungen zum Aufnehmen von Befestigungsschrauben zum Befestigen der Grundplatten aneinander aufweisen.To connect two base plates of a flow cell, it can also be advantageous if the base plates have U-shaped material recesses on the sides. As a result, for example, screws or a screw-nut arrangement can be inserted from the side and the base plates can be screwed on in such a way that the flow-through element can be pressed in between the base plates. Correspondingly, it can be particularly preferred that two base plates arranged opposite one another with regard to the flow-through element have U-shaped recesses open at the side for receiving fastening screws for fastening the base plates to one another.
Beispielsweise können die Grundplatten aus Edelstahl ausgebildet sein. Darüber hinaus kann es für eine besonders gute Anpassbarkeit von Vorteil sein, wenn die Grundplatten identisch ausgeformt sind.For example, the base plates can be made of stainless steel. In addition, it can be advantageous for particularly good adaptability if the base plates are shaped identically.
Die beschriebene Flusszelle weist somit einen modularen Aufbau auf, der bei reduzierter Bauteilanzahl ein besonders hohes Maß an Anpassbarkeit an die gewünschte Anwendung ermöglicht. So kann zwischen den beiden Grundplatten anwendungsbezogen jeweils eine oder eine Mehrzahl von Durchflusselementen angeordnet und fixiert werden, welche beziehungsweise für die gewünschte Anwendung maßgeschneidert sind. Aufwändige Umbauten an der gesamten Flusszelle sind so nicht notwendig. Der modulare Aufbau der Zelle erlaubt den Einsatz für verschiedene Anwendungen, wie etwa in der Elektrochemie, als Wärmetauscher oder bei Membranverfahren, oder auch deren Kombination in einer Zelle, wie etwa einer temperierten elektrochemischen Zelle. Beispiele für entsprechende Anwendungen sind somit insbesondere solche, die eine planare Strömung benötigen.The flow cell described thus has a modular structure which, with a reduced number of components, enables a particularly high degree of adaptability to the desired application. Depending on the application, one or more flow-through elements can be arranged and fixed between the two base plates, which are tailor-made for the desired application. Expensive modifications to the entire flow cell are therefore not necessary. The modular structure of the cell allows it to be used for various applications, such as in electrochemistry, as a heat exchanger or in membrane processes, or their combination in one cell, such as a temperature-controlled electrochemical cell. Examples of corresponding applications are therefore in particular those that require a planar flow.
In Forschung und Entwicklung, beispielsweise, werden flexibel einsatzbare und zuverlässige Zellen für elektrochemische Prozesse und andere Anwendungen benötigt. Die modulare Zelle gemäß der Erfindung bietet eine flexible Plattform auf der verschiedene Anwendungen umgesetzt werden können.In research and development, for example, flexible and reliable cells are required for electrochemical processes and other applications. The modular cell according to the invention offers a flexible platform on the various applications can be implemented.
Darüber hinaus kann auch die Größe der Flusszelle durch Fixieren mehrerer Grundplatten aneinander und einer entsprechenden fluidischen Verschaltung maßgeschneidert werden. In anderen Worten sind die Grundplatten der Zelle skalierbar, indem etwa zwei Grundplatten gleicher Breite zu einer Grundplatte für eine größere Zelle kombiniert werden können. Dies kann etwa von Vorteil sein, da für die Entwicklung elektrochemischer Prozesse üblicherweise verschiedene Zellgrößen benötigt werden, kleinere Zellen für erste Versuche, dann größere Zellen für den Scale-up. Bisher kommen verschiedene Zellen zum Einsatz, die sich in ihrer Geometrie und Strömungsführung deutlich unterscheiden. Messungen sind daher nicht direkt miteinander vergleichbar. Darüber hinaus sind bisherige Zellen aus dem Stand der Technik häufig nur für eine bestimmte Zell-Architektur zugeschnitten und damit nur für eine einzelne Anwendung geeignet. Bei verschiedenen Zellgrößen ändert sich das Zelldesign. Bei einem Scale-Up ist es daher nicht eindeutig unterscheidbar welche Effekte auf die größere Elektrodenfläche und welche auf das geänderte Design zurückzuführen sind. Demgegenüber bleibt die Zellgeometrie erfindungsgemäß auch bei einer Skalierung mit mehreren Grundplatten weitestgehend identisch.In addition, the size of the flow cell can also be tailored by fixing several base plates to one another and using a corresponding fluidic connection. In other words, the base plates of the cell are scalable, for example two base plates of the same width can be combined into one base plate for a larger cell. This can be advantageous, for example, since different cell sizes are usually required for the development of electrochemical processes, smaller cells for initial experiments, then larger cells for scale-up. So far, various cells have been used that differ significantly in their geometry and flow control. Measurements are therefore not directly comparable with one another. In addition, previous cells from the prior art are often only tailored for a specific cell architecture and are therefore only suitable for a single application. With different cell sizes, the cell design changes. In the case of a scale-up, it is therefore not possible to clearly distinguish which effects are due to the larger electrode area and which are due to the changed design. In contrast, the cell geometry according to the invention remains largely identical even when scaling with several base plates.
Die vorbeschriebenen Probleme können erfindungsgemäß somit überwunden werden, wobei durch einfache Anpassbarkeit und eine geringe Bauteilanzahl eine hohe Verlässlichkeit der Funktionalität durch niedrige Fehleranfälligkeit möglich ist.The problems described above can thus be overcome according to the invention, with a high level of reliability of the functionality being possible due to a low susceptibility to errors due to simple adaptability and a small number of components.
Die Bestandteile der Flusszelle, wie etwa das Durchflusselement, vereinen mehrere Funktionen in sich, für die im Stand der Technik eine Mehrzahl an Bauteilen erforderlich war, wie etwa die beidseitige Dichtung, elektrische Kontakte, Strömungsverteiler, Anschlussmöglichkeit für Sensoren, usw. Dies zeigt, dass der Aufbau der Flusszelle gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutlich vereinfacht ist, was Kosten reduzieren und Wartung vereinfachen kann. Darüber hinaus kann die Montage etwa durch den Endanwender vereinfacht und beschleunigt werden.The components of the flow cell, such as the flow element, combine several functions for which a number of components were required in the prior art, such as the seal on both sides, electrical contacts, flow distributors, connection options for sensors, etc. This shows that the structure of the flow cell is significantly simplified compared to the solutions from the prior art, which can reduce costs and simplify maintenance. In addition, assembly can be simplified and accelerated, for example by the end user.
Weniger Bauteile und beispielsweise seitliche entnehmbare Schrauben ermöglichen eine schnelle Montage. Einkerbungen an den Rändern der Durchflusseinheiten dienen bevorzugt als Markierung für die innere Strömungsführung, sodass sich von außen überprüfen lässt, ob die Zelle korrekt montiert wurden. Dies vereinfacht die Montage noch weiter. Hierzu kann es besonders vorteilhaft sein, dass das Durchflusselement an einer äußeren Oberfläche Funktionshinweise zum Anzeigen von wenigstens einem von der Art einer Funktion und einer Funktionsposition aufweist.Fewer components and, for example, screws that can be removed from the side enable quick assembly. Indentations on the edges of the flow-through units are preferably used as a marker for the internal flow guidance, so that it is possible to check from the outside whether the cell has been assembled correctly. This simplifies assembly even further. To this end, it can be particularly advantageous for the flow-through element to have functional information on an outer surface for displaying at least one of the type of a function and a functional position.
Bevorzugt kann wenigstens eine Grundplatte ein Sichtfenster aufweisen, welches eine Sicht in eine Fluidführung freigibt. In dieser Ausgestaltung kann etwa eine Reaktion oder grundsätzlich ein Arbeiten der Flusszelle überprüft werden, was eine Anwendung verbessern kann. Darüber hinaus kann etwa optische Analytik verwendet werden, welche durch das Sichtfenster in die Fluidführung gerichtet ist. Hinsichtlich der chemischen Beständigkeit kann es ferner von Vorteil sein, dass das Sichtfenster an einer dem Durchflusselement zugewandten Seite mit einer Schutzschicht versehen ist.At least one base plate can preferably have a viewing window, which provides a view into a fluid guide. In this configuration, for example, a reaction or, in principle, the functioning of the flow cell can be checked, which can improve an application. In addition, optical analysis can be used, for example, which is directed through the viewing window into the fluid guide. With regard to the chemical resistance, it can also be advantageous that the viewing window is provided with a protective layer on a side facing the flow-through element.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass in wenigstens einer Fluidführung wenigstens eine Strömungsstruktur vorgesehen ist oder die Fluidführung eine Strömungsstruktur ausbildet. Dabei ist unter einer Strömungsstruktur grundsätzlich jegliche Struktur zu verstehen, welche den Fluss des Fluids beeinflusst, etwa indem Turbulenzen eingebracht werden, oder auch welche einen Fluidstrom aufteilen oder von einem geraden Fluss abweichen lassen kann. In dieser Ausgestaltung kann die Anwendbarkeit noch weiter verbessert werden, da das Strömungsverhalten gezielt angepasst werden kann und ferner der Fluidstrom gezielt geteilt und/oder gelenkt werden kann. Dadurch kann der Fluidstrom in gewünschter Weise behandelt und geführt werden.It can also be preferred that at least one flow structure is provided in at least one fluid guide or that the fluid guide forms a flow structure. A flow structure is basically any structure that influences the flow of the fluid, for example by introducing turbulence, or which can divide a fluid flow or allow it to deviate from a straight flow. In this configuration, the applicability can be improved even further, since the flow behavior can be adapted in a targeted manner and, moreover, the fluid flow can be divided and/or directed in a targeted manner. As a result, the fluid flow can be treated and guided in the desired manner.
Hinsichtlich der Strömungsstruktur kann es bevorzugt sein, dass diese ausgewählt ist aus einem Strömungsverteiler, einem Strömungsfeld und einer turbulenzerzeugenden Struktur. Dadurch wird es möglich, die Fluidströme und damit die Stoffströme in der Flusszelle in geeigneter Weise zu führen. Gleichmäßige Strömungsprofile werden so auf einfache Weise möglich.With regard to the flow structure, it can be preferred that this is selected from a flow distributor, a flow field and a turbulence-generating structure. This makes it possible to guide the fluid flows and thus the substance flows in the flow cell in a suitable manner. Uniform flow profiles are thus easily possible.
Die Strömungsverteiler können etwa eine fluidundurchlässige Teilung umfassen. Grundsätzlich ist auch eine Membran oder eine Elektrode als Strömungsverteiler möglich, was insbesondere für elektrochemische Anwendungen von Vorteil sein kann.
Mit „Strömungsverteiler“ sind im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Strukturen im Ein- und Ausgang der Zelle gemeint. Die Strömungsverteiler haben insbesondere zwei Funktionen. Zunächst führen sie zu einer einheitliche Strömung entlang Zelle und damit beispielsweise entlang einer aktiven Elektrodenfläche, was mit einer homogenen Geschwindigkeitsverteilung einhergehen kann. Ferner kann, wie auch für andere Strömungsstrukturen möglich, die Kraft der Flächenpressung der aufliegenden Schichten aufgenommen werden, wie etwa einer Elektrode und einem Elektrodenrahmen, was ein vorteilhaftes Abdichten erlauben kann.The flow dividers may include, for example, a fluid impervious partition. In principle, a membrane or an electrode is also possible as a flow distributor, which can be advantageous in particular for electrochemical applications.
In the context of the present invention, “flow distributor” means in particular structures in the inlet and outlet of the cell. The flow distributors have two functions in particular. First, they lead to a uniform flow along the cell and thus, for example, along an active electrode surface, which can be accompanied by a homogeneous velocity distribution. Furthermore, as is also possible for other flow structures, the force of the surface pressure of the overlying layers can be absorbed, such as one Electrode and an electrode frame, which can allow advantageous sealing.
Strömungsfelder können etwa die Verweildauer des Fluidstroms in der Zelle verlängern. Nicht beschränkende Beispiele umfassen etwa Mäanderstrukturen oder Spiralstrukturen.For example, flow fields can increase the residence time of the fluid stream in the cell. Non-limiting examples include, for example, meander structures or spiral structures.
Auch turbulenzerzeugende Strukturen können anwendungsbedingt von Vorteil sein. Beispiele umfassen etwa Gewebe, Gelege, oder grundsätzlich 3D Strukturen.Structures that generate turbulence can also be advantageous depending on the application. Examples include woven fabrics, scrims, or basically 3D structures.
Bevorzugt kann die Strömungsstruktur punktförmige Kontaktpunkte zum Kontaktieren einer benachbarten Schicht, wie etwa einer Elektrode oder einer Membran aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann durch die nur geringe Belegung der Nachbarschichten mit der Strömungsstruktur weiterhin eine effektive Funktionalität gegeben sein, ohne dass diese durch eine großflächige Bedeckung der Nachbarschicht durch die Strömungsstruktur reduziert würde.The flow structure can preferably have punctiform contact points for contacting an adjacent layer, such as an electrode or a membrane. In this configuration, effective functionality can continue to be provided by the only small coverage of the adjacent layers with the flow structure, without this being reduced by the flow structure covering a large area of the adjacent layer.
Entsprechend wird deutlich, dass wenigstens eine Fluidführung, in der die Strömungsstruktur vorliegen kann, begrenzt sein kann durch eine Membran oder eine Elektrode.Correspondingly, it becomes clear that at least one fluid guide, in which the flow structure can be present, can be delimited by a membrane or an electrode.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Strömungsstruktur entlang der Dicke des Durchflusselements komprimierbar ist. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders gute Kraftaufnahme durch die Strömungsstruktur und kann ferner ermöglichen, dass ein definiertes Strömungsverhalten aufgrund einer definierten Anordnung der Strömungsstruktur möglich ist.Furthermore, it can be preferred that the flow structure is compressible along the thickness of the flow-through element. This configuration allows a particularly good absorption of force by the flow structure and can also make it possible for a defined flow behavior to be possible due to a defined arrangement of the flow structure.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der Funktionsanschluss ausgewählt ist aus einem elektrischen Anschluss und einem Sensoranschluss.It can also be preferred that the functional connection is selected from an electrical connection and a sensor connection.
Sensoren können von großer Bedeutung sein, da so etwa Reaktionen oder andere Funktionen in der Flusszelle überwacht werden können, was für die Anwendung von großem Vorteil sein kann.Sensors can be of great importance as they can be used to monitor reactions or other functions in the flow cell, which can be of great benefit to the application.
Elektrische Anschlüsse sind beispielsweise für elektrochemische Anwendungen von Vorteil. Für elektrochemische Zellen können spezielle elektrische Kontakte verwendet werden, die direkt an den Grundplatten positioniert sind und gegebenenfalls in die Durchflusseinheit integriert sind. Die Kontakte sind bevorzugt kompatibel zu allen gängigen Elektrodentypen und können zwei getrennte Leitungen für Stromfluss und Potentialmessung erlauben. Es kann verhindert werden, dass die Elektrodenkontaktierung wie bei manchen Laborzellen des Stands der Technik einen zu hohen Widerstand aufweist und zu Spannungsverlusten führt. Electrical connections are advantageous for electrochemical applications, for example. Special electrical contacts can be used for electrochemical cells, which are positioned directly on the base plates and, if necessary, integrated into the flow unit. The contacts are preferably compatible with all common electrode types and can allow two separate lines for current flow and potential measurement. It is possible to prevent the electrode contact from having too high a resistance and leading to voltage losses, as is the case in some prior-art laboratory cells.
Elektrische Kontakte werden beispielsweise durch den Dichtungsbereich, etwa durch Dichtungsschichten, des Durchflusselements über etwa selbstklebende Metallbänder, wie etwa Kupferbänder, umgesetzt, deren Klebeschicht selbst auch leitfähig ist. Die Metallbänder können, aber müssen nicht selbstklebend sein. Eine Verbindung zum Dichtmaterial kann beispielsweise geklebt, geschweißt oder gesteckt sein. Beschichtete Metallbänder sind vorteilhaft für die chemische Beständigkeit.Electrical contacts are implemented, for example, through the sealing area, such as through sealing layers, of the flow-through element via self-adhesive metal strips, such as copper strips, for example, the adhesive layer of which is itself also conductive. The metal strips can, but do not have to, be self-adhesive. A connection to the sealing material can be glued, welded or plugged in, for example. Coated metal strips are advantageous for chemical resistance.
Die bevorzugt dünnen Metallbänder können verschiedene Elektrodentypen schonend und mit niedrigem Widerstand kontaktieren. Für eine flächige Kontaktierung der Elektroden werden poröse Metallstrukturen, beispielsweise Metallgitter oder Metallschäume in das Durchflusselement, etwa in die Dichtungslagen aus thermoplastischem Elastomer, eingeschmolzen oder eingelegt, sodass sich Metallstruktur und Dichtung in einer Ebene befinden, die Metallstruktur aber an mindestens einer Seite, bevorzugt rückseitig, kontaktierbar bleibt.The preferably thin metal strips can contact different types of electrodes gently and with low resistance. For surface contacting of the electrodes, porous metal structures, for example metal grids or metal foams, are melted or inserted into the flow element, for example into the sealing layers made of thermoplastic elastomer, so that the metal structure and seal are in one plane, but the metal structure is on at least one side, preferably on the back , remains contactable.
Wie vorstehend bereits angedeutet können die Grundplatten zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, aus Metall, bevorzugt Edelstahl ausgestaltet sein. Dadurch können die Grundplatten ausreichend steif und stabil sein, damit es sich unter den benötigten Kräften nicht zu stark verbiegt oder bricht. Entsprechende Anschlüsse können beispielsweise in Kunststoffhülsen vorgesehen sein.As already indicated above, the base plates can be made at least partially, for example completely, from metal, preferably stainless steel. This allows the baseplates to be sufficiently rigid and stable so that it does not bend or break too much under the forces required. Corresponding connections can be provided in plastic sleeves, for example.
Es kann bevorzugt sein, dass die Flusszelle mehr als zwei Grundplatten aufweist. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Flusszelle hinsichtlich des Durchflusselements beidseitig die gleiche Anzahl an Grundplatten aufweist. In dieser Ausgestaltung können auch vergleichswiese große Flusszellen auf einfache Weise hergestellt werden, indem auf jeder Seite zwei oder mehr Grundplatten miteinander verbunden werden und das Durchflusselement entsprechend angepasst wird. Zum Verbinden der Grundplatten können beispielsweise in den Grundplatten befindliche Bohrungen beziehungsweise Löcher verwendet werden, an denen die Grundplatten verschraubt werden. Das Durchflusselement kann dann auf einfache Weise angepasst werden.It can be preferred that the flow cell has more than two base plates. It can be preferred that the flow cell has the same number of base plates on both sides with regard to the flow element. In this configuration, comparatively large flow cells can also be produced in a simple manner by connecting two or more base plates to one another on each side and by adapting the flow element accordingly. To connect the base plates, bores or holes located in the base plates can be used, for example, to which the base plates are screwed. The flow element can then be easily adjusted.
In dieser Ausgestaltung bietet sich der Vorteil einer vergleichsweise großen aktiven Oberfläche, beispielsweise Elektrodenfläche, ohne jeweils verschiedene Grundplatten nutzen zu müssen. Es kann somit unter Verwendung weniger Bauteile eine besonders hohe Anwendungsbreite ermöglicht werden. Ferner kann bei einer so erzeugbaren großen Grundfläche die innere Struktur verglichen zu kleinen Strukturen gleich bleiben und lediglich in der Länge ausgedehnt werden.This configuration offers the advantage of a comparatively large active surface, for example an electrode surface, without having to use different base plates in each case. A particularly wide range of applications can thus be made possible using fewer components. Furthermore, with a large base area that can be produced in this way, the inner structure can remain the same compared to small structures and can only be expanded in length.
Die Fluidanschlüsse beider Grundplatten können dann entsprechend genutzt werden, um ein Fluid durch eine gemeinsame Fluidführung zu führen.The fluid connections of both base plates can then be used accordingly in order to conduct a fluid through a common fluid guide.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass eine Mehrzahl an Durchflusselementen in einer gestapelten Anordnung vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung können insbesondere Durchflusselemente für unterschiedliche Stoffströme, wie etwa für Gasströme und Flüssigkeitsströme, verwendet werden. Dadurch können beispielsweise unterschiedliche elektrochemische Zellen oder Halbzellen auf vergleichsweise kleiner Grundfläche angeordnet werden, was eine besonders vorteilhafte Anwendungsbreite ermöglichen kann.It may further be preferred that a plurality of flow elements are provided in a stacked arrangement. In this configuration, in particular, flow elements can be used for different material flows, such as for gas flows and liquid flows. As a result, for example, different electrochemical cells or half-cells can be arranged on a comparatively small base area, which can enable a particularly advantageous range of applications.
Es ist ferner bevorzugt, dass wenigstens ein Durchflusselement entlang seiner Dicke zumindest zum Teil in einem Mehrschichtaufbau aufgebaut ist, wobei die Mehrzahl an Schichten miteinander verbunden sind und so ein einziges Bauteil ausbilden. Die Schichten können dabei unlösbar miteinander verbunden sein, oder auch lösbar. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders breite Anpassbarkeit und so ein sehr breites Anwendungsgebiet der Flusszelle. Beispielsweise kann ein Durchflusselement größtenteils bzw. auch ausschließlich aus elastischem Material bestehen. Mehrere Lagen des Durchflusselements können dann etwa durch Pressen und/oder Kleben und/oder Schweißen verbunden sein. Wie vorstehend beschrieben können turbulenzerzeugende Strukturen oder andere Strömungsstrukturen oder auch elektrische Kontakte in den Mehrschichtaufbau eingebettet sein.It is further preferred that at least one flow-through element is constructed at least partially in a multi-layer structure along its thickness, with the plurality of layers being connected to one another and thus forming a single component. The layers can be inextricably connected to each other, or detachably. This configuration enables a particularly wide range of adaptability and thus a very wide field of application of the flow cell. For example, a flow-through element can consist largely or also exclusively of elastic material. Several layers of the flow-through element can then be connected, for example, by pressing and/or gluing and/or welding. As described above, turbulence-generating structures or other flow structures or also electrical contacts can be embedded in the multi-layer structure.
Entsprechend kann es von Vorteil sein, dass das Durchflusselement elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung einer in dem Durchflusselement oder benachbart zu dem Durchflusselement angeordneten Elektrode aufweist, wobei die elektrische Kontaktierung zumindest zum Teil in eine Kunststoffschicht eingebettet ist. Besonders bevorzugt kann das Durchflusselement elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung einer in dem Durchflusselement oder benachbart zu dem Durchflusselement angeordneten Elektrode aufweisen, wobei die elektrische Kontaktierung zumindest zum Teil in eine Kunststoffschicht eingebettet istAccordingly, it can be advantageous for the flow-through element to have electrical contacts for making electrical contact with an electrode arranged in the flow-through element or adjacent to the flow-through element, with the electrical contact being at least partially embedded in a plastic layer. Particularly preferably, the flow-through element can have electrical contacts for making electrical contact with an electrode arranged in the flow-through element or adjacent to the flow-through element, with the electrical contact being at least partially embedded in a plastic layer
Bevorzugt ist der Mehrschichtaufbau derart gestaltet, dass Durchflusselemente nicht oder nur schwach aufeinander oder auf benachbarten Schichten, wie etwa Elektroden oder Membranen haften.The multi-layer structure is preferably designed in such a way that flow-through elements do not or only weakly adhere to one another or to adjacent layers, such as electrodes or membranes.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können, und wobei die Erfindung nicht auf die folgende Zeichnung, die folgende Beschreibung und das folgende Ausführungsbeispiel beschränkt ist.The invention is explained below by way of example with reference to the attached drawings, whereby the features presented below can represent an aspect of the invention both individually and in combination, and the invention is not limited to the following drawing, the following description and the following exemplary embodiment is.
Es zeigen:
-
1 eine Ansicht einer fluiddurchströmbaren Flusszelle gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; -
2 eine Ansicht einer fluiddurchströmbaren Flusszelle gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; -
3 eine Explosionsansicht eines Teils einer Flusszelle gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; -
4 eine Ausgestaltung eines Durchflusselements für eine Flusszelle nach3 ; -
5 weitere Ausgestaltungen eines Durchflusselements für eine Flusszelle nach1 ; -
6 eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Flusszelle; -
7 eine schematische Schnittansicht durch das System aus6 ; -
8 eine schematische Ansicht eines Durchflusselements; -
9 eine weitere Ausgestaltung eines Durchflusselements für eine Flusszelle nach1 ; -
10 die Ausgestaltung aus9 in einer Explosionsdarstellung; -
11 eine Detailansicht einer Membran der Ausgestaltung aus9 ; -
12 eine Detailansicht des Durchflusselements aus9 ; -
13 eine Ausgestaltung einer Strömungsstruktur für eine Fluidführung; -
14 eine weitere Ausgestaltung einer Strömungsstruktur für eine Fluidführung; -
15 eine weitere Ausgestaltung einer Strömungsstruktur für eine Fluidführung; -
16 eine weitere Ausgestaltung einer Strömungsstruktur für eine Fluidführung; -
17 eine weitere Ausgestaltung einer Strömungsstruktur für eine Fluidführung; und -
18 eine weitere Ausgestaltung einer Strömungsstruktur für eine Fluidführung.
-
1 a view of a flow cell through which fluid can flow according to an embodiment of the present invention; -
2 a view of a flow cell through which fluid can flow according to a further embodiment of the present invention; -
3 Figure 12 shows an exploded view of a portion of a flow cell according to an embodiment of the invention; -
4 an embodiment of a flow element for a flow cell3 ; -
5 further configurations of a flow element for a flow cell1 ; -
6 a further embodiment of a flow cell according to the invention; -
7 a schematic sectional view through the system6 ; -
8th a schematic view of a flow element; -
9 a further embodiment of a flow element for a flow cell1 ; -
10 the design9 in an exploded view; -
11 a detail view of a membrane of the embodiment9 ; -
12 a detailed view of the flow element9 ; -
13 an embodiment of a flow structure for a fluid guide; -
14 a further configuration of a flow structure for a fluid guide; -
15 a further configuration of a flow structure for a fluid guide; -
16 a further configuration of a flow structure for a fluid guide; -
17 a further configuration of a flow structure for a fluid guide; and -
18 a further configuration of a flow structure for a fluid guide.
In der
Die Grundplatten 12, 14 sind insbesondere aus Edelstahl ausgebildet und weisen etwa eine Vielzahl an Löchern 24 beziehungsweise Öffnungen oder auch Materialausnehmungen 26 auf, welche zum Einbringen von Funktionalitäten geeignet sind und verwendet werden. The
Hierzu können die Löcher 24 beispielsweise eine Innenwandung mit einem Gewinde aufweisen, oder es kann in ein Loch 24 oder eine Materialausnehmung 26 eine Schraube-Mutter-Anordnung 27 eingebracht werden. So ist in der
Durch die Öffnungen 24 ist es ferner möglich, beispielsweise Befestigungsmittel 32 zum Befestigen der Flusszelle 10 an einem Substrat zu befestigen. Dabei kann das Befestigungsmittel 32 mit dem Substrat, wie etwa einer geeigneten Auflage beziehungsweise Oberfläche, verschraubt werden oder schlicht als Standfuß dienen. Ferner können die Öffnungen 24 als Verbindungsmittel 34 zum mechanischen Verbinden zweier Grundplatten 12 dienen.The
In der
In den weiteren Figuren sind unterschiedliche Beispiele der Verwendung der Flusszellen 10 gezeigt, wobei insbesondere die Durchflusselemente 16 verändert werden können.The other figures show different examples of the use of the
In der
Eine derartige elektrochemische Zelle ist ferner in der
Ferner sind die Flüssigkeitsströme voneinander durch die Membran 42 getrennt. Für den Aufbaue der Membran 42 gibt es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise sind Ionentauschermembranen, die durchlässig für Ionen sind, möglich oder auch poröse nicht leitende Membranen, die ausgestaltet sind als Diaphragma, das durchlässig ist für Flüssigkeiten. Beispielhafte Materialien, aus denen die Membranen ausgestaltet werden können, umfassen etwa das unter dem Namen Nafion vertriebene Produkt.Furthermore, the liquid flows are separated from one another by the
Die
In der
In der
In der
Die
Die
Rein beispielhaft und nur erläuternd können die Stoffströme wie folgt ausgestaltet sein. A1 und K1 können Gase sein und A2 und K2 können Flüssigkeiten sein. Als konkrete Beispiele kann A1 produzierter Sauerstoff sein, kann A2 ein saurer Elektrolyt, wie etwa Schwefelsäure-Lösung, kann K1 Kohlendioxid sein und kann K2 leicht alkalischer Elektrolyt, wie etwa Kaliumhydrogencarbonat-Lösung sein.Purely by way of example and only by way of explanation, the material flows can be designed as follows. A1 and K1 can be gases and A2 and K2 can be liquids. As concrete examples, A1 may be oxygen produced, A2 may be acidic electrolyte such as sulfuric acid solution, K1 may be carbon dioxide, and K2 may be slightly alkaline electrolyte such as potassium hydrogen carbonate solution.
Dies ist in der
In
Die
Im Detail ist in den
Optional kann zwischen dem Gummielement 60 und der Gasdiffusionselektrode 48 ein Metallgitter 64 vorgesehen sein, welches den Kontakt verbessern kann. Ferner ist gezeigt, dass in der Fluidführung 18 ein Strömungselement 66, hier genauer eine Mischergeometrie 68, angeordnet ist. An der gegenüberliegenden Seite der Gasdiffusionselektrode 48 ist wiederum ein Gummielement 60 beziehungsweise ein Durchflusselement 16 angeordnet, dass eine weitere Fluidführung 18 aufweist, die wiederum mit einer Mischergeometrie 68 als Strömungselement 66 versehen ist. Abgeschlossen wird diese Anordnung durch eine Membran 42, die etwa aus Nafion ausgestaltet ist.A metal mesh 64 can optionally be provided between the
Die Membran 42 ist eingefasst in einem als Umschlag ausgebildeten Rahmen 76 aus einem Dichtmaterial (z.B. ePTFE oder Santoprene), wie dies in der
Die beschriebene Halbzelle kann in an der Membran 42 in gespiegelter Form wiederum an der Membran 42 anliegend und startend mit dem Durchflusselement 16 etwa in einer Flusszelle 10 zwischen den Grundplatten 12, 14 angeordnet sein, so dass die Grundplatten 12, 14 an den Kontaktierungen 58 beziehungsweise den Sichtfenstern 22 anliegen derart, dass zwischen den Kontaktierungen 58 und den Grundplatten 12,14 noch eine Dichtungsschicht liegt. Die Grundplatten 12, 14 sollten von den elektrischen Kontakten elektrisch isoliert sein, da es sonst zu einem Kurzschluss über die Schrauben kommen kann, die beide Platten verbindet.The half-cell described can in turn be arranged in a mirrored form on the
Die Gummielemente 60 der Durchflusselemente 16 können mit einer Antihaftschicht, etwa aus ePTFE, oder PP bedeckt werden, sodass eine Adhäsion verhindert werden kann.The
Ein Durchflusselement beziehungsweise ein die Grundstruktur 17 ausbildende Gummielement 60 umfasst üblicherweise aus mehreren Lagen, die durch die natürliche Adhäsion des Gummis zusammengehalten werden oder alternativ durch Kleben oder Schweißen oder Heißpressen miteinander verbunden sind. Der entstehende Stapel aus mehreren Gummielementen, Elektroden und Membran lässt sich wieder leicht voneinander lösen, wenn die äußeren Flächen der Gummielemente nicht kleben beziehungsweise keine oder nur abgeschwächte Adhäsion aufweisen. Dies ist etwa möglich durch eine aufgebrachte Antihaftschicht, etwa aus ePTFE oder PP. Dies kann von Vorteil sein, da unter Umständen stark haftende Gummielemente 60 empfindliche Elektroden und Membranen bei der Demontage zerstören können, wenn ein Durchflusselement 16 von der Membran 42 oder der Elektrode 40 gelöst werden soll. Dadurch anhaftende Katalysatorpartikel von der Elektrode 40 könnten dann folgende Versuche verfälschen.A flow element or a
Verschiedene Ausgestaltungen der Grundstrukturen 17 von Durchflusselementen 16 sind in der
Dabei zeigt a) einen Einschichtaufbau, etwa aus Gummi, zeigt b) einen Zweischichtaufbau mit einer unteren Schicht 78b aus Gummi und einer oberen Schicht 78a aus einem härteren Kunstsoff, welche Adhäsion verhindern kann, zeigt c) einen Zweischichtaufbau mit einer unteren Schicht 78b aus einem vergleichsweise härteren Kunststoff und einer oberen Schicht 78a aus einem Gummi, wobei nur die obere Schicht 78a eine Dichtwulst 80 aufweist und zeigt d) den zu c) entsprechenden Aufbau mit dem Unterschied, dass auch die untere Schicht 78b einen entsprechend der Dichtwulst positionierte Unterstützungswulst 82 aufweist. Grundsätzlich können die Gummischichten eine sehr gute Abdichtung ermöglichen, welche durch die Dichtwulst 80 verbessert werden kann. Die Unterstützungswulst 82 in der unteren Schicht 78b der Ausgestaltung nach d) kann die Ausformung der Dichtwulst 80 verstärken, was den Dichteffekt durch lokal erhöhte Flächenpressung weiter verbessern kann.A) shows a single-layer structure, for example made of rubber, b) shows a two-layer structure with a
Grundsätzlich kann eine kompressible beziehungsweise elastomere Schicht benachbart zu der dem Durchflusselement 16 undurchsichtig sein, wie etwa aus Santoprene, sein und nur die Ränder eines Sichtfensters bedecken. Die Schicht kann dann zwischen Sichtfenster und etwa einem Edelstahlblech der Grundplatte liegen. Die kompressible Schicht kann auch durchsichtig sein, etwa unter Verwendung von PDMS, und das gesamte Sichtfenster bedecken. Die Schicht liegt dann zwischen Sichtfenster und der beständigen Folie. Basically, a compressible or elastomeric layer adjacent to that of the
Vorteilhaft ist, dass die äußere Kontaktierung 58 beziehungsweise die Stromschienen und die chemisch beständige durchsichtige Folie auf einer Ebene liegen und eine plane Auflagefläche für die aufliegenden Durchflusselemente 16 bilden, was die Dichtheit verbessert. Es ist vorteilhaft, wenn entlang des Sichtfensters 22 und entlang der Grundplatte 12, 14 Materialien mit der gleichen Dicke kompressibel oder inkompressibel sind, damit im gepressten Zustand eine ebene Auflagefläche erhalten bleibt.It is advantageous that the external contacting 58 or the busbars and the chemically resistant, transparent film lie on one level and form a planar contact surface for the flow-through
Beispiele für Strömungsstrukturen 66, welche in Fluidführungen 18 vorliegen können, sind in den
Dabei zeigt die
Die
Die
Die gezeigten Figuren verdeutlichen somit die Anwendungsbreite der Flusszellen 10, welche möglich wird nur durch Anpassung des Durchflusselements 16, welches zwischen den Grundplatten 12, 14 angeordnet ist. In anderen Worten erlaubt ein modulares Baukastensystem aus verschiedenen Flowframes beziehungsweise Durchflusselementen 16 verschiedene Zellarchitekturen innerhalb des gleichen Grundaufbaus. Die Grundplatten 12, 14 liefern wie angedeutet Anschlussmöglichkeiten für elektrischen Strom und einer Mehrzahl an separaten Stoffströmen die in das Durchflusselement 16 verlaufen. Die Grundplatten 12, 14 der Flusszellen 10 lassen sich für einen Scale-Up miteinander verbinden, insbesondere verschrauben, sodass sie eine längere kombinierte Zelle bilden. Geometrie und Strömungsführung bleiben dabei identisch.The figures shown thus illustrate the range of application of the
Die dieser Gebrauchsmusteranmeldung zu Grunde liegende Erfindung entstand in einem Projekt, welches unter dem Förderkennzeichen 03SF0589 vom BMBF gefördert wurde.The invention on which this utility model application is based came about in a project funded by the BMBF under grant number 03SF0589.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Flusszelleflow cell
- 1212
- Grundplattebase plate
- 1414
- Grundplattebase plate
- 1616
- Durchflusselementflow element
- 1717
- Grundstrukturbasic structure
- 1818
- Fluidführungfluid guidance
- 2020
- Fluidstromfluid flow
- 2222
- Sichtfensterviewing window
- 2323
- Schutzschichtprotective layer
- 2424
- Durchgangslochthrough hole
- 2626
- Materialausnehmungmaterial recess
- 2727
- Schraube-Mutter-Anordnungscrew and nut arrangement
- 2828
- Fluidanschlussfluid connection
- 3030
- elektrischer Anschlusselectrical connection
- 3232
- Befestigungsmittelfasteners
- 3434
- Verbindungsmittellanyard
- 3838
- Verbindungsplatteconnection plate
- 4040
- Elektrodeelectrode
- 4141
- Elektrodenrahmenelectrode frame
- 4242
- Membranmembrane
- 4343
- Membranrahmenmembrane frame
- 4444
- Membran-Elektroden-Einheitmembrane electrode assembly
- 4646
- Plattenelektrodeplate electrode
- 4848
- Gasdiffusionselektrodegas diffusion electrode
- 5050
- Anodeanode
- 5252
- Kathodecathode
- 5454
- Abdichtelementsealing element
- 5656
- Anlageinvestment
- 5858
- Kontaktierungcontacting
- 6060
- Gummielementrubber element
- 6262
- Durchkontaktierungvia
- 6464
- Metallgittermetal mesh
- 6666
- Strömungsstrukturflow structure
- 6868
- Mischergeometriemixer geometry
- 7070
- Strömungsfeldflow field
- 7272
- turbulenzerzeugende Strukturturbulence generating structure
- 7474
- Strömungsverteilerflow distributor
- 7676
- Rahmenframe
- 7878
- Schichtlayer
- 8080
- Dichtwulstsealing bead
- 8282
- Unterstützungswulstsupport bead
- 8484
- FunktionshinweisFeature Note
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 1502313 B1 [0003]EP 1502313 B1 [0003]
- WO 2018/044236 A1 [0004]WO 2018/044236 A1 [0004]
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Publications (1)
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ID=81256577
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---|---|
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
EP1502313B1 (en) | 2002-04-23 | 2012-02-15 | Protonex Technology Corporation | Membrane based electrochemical cell stacks |
WO2018044236A1 (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | Temasek Polytechnic | Flow frame for electrochemical cells |
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2022
- 2022-02-18 DE DE202022100954.6U patent/DE202022100954U1/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |