EP4085487A1 - Modularer flussrahmen für eine elektrochemische zelle, flussrahmen-elektroden-einheit, zelle, zellstack, sowie verfahren zur herstellung eines flussrahmens - Google Patents

Modularer flussrahmen für eine elektrochemische zelle, flussrahmen-elektroden-einheit, zelle, zellstack, sowie verfahren zur herstellung eines flussrahmens

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Publication number
EP4085487A1
EP4085487A1 EP21835687.1A EP21835687A EP4085487A1 EP 4085487 A1 EP4085487 A1 EP 4085487A1 EP 21835687 A EP21835687 A EP 21835687A EP 4085487 A1 EP4085487 A1 EP 4085487A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frame
profile
insert
parts
flux
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21835687.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schiegl
Udo Martin
Lars KÜHNLE
Christian Teufel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
J Schmalz GmbH
Original Assignee
J Schmalz GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by J Schmalz GmbH filed Critical J Schmalz GmbH
Publication of EP4085487A1 publication Critical patent/EP4085487A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2455—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with liquid, solid or electrolyte-charged reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a modular flow frame for an electrochemical cell, in particular for a redox flow battery stack.
  • the invention also relates to a flux frame electrode unit, a cell, a cell stack and a method for producing a flux frame.
  • Redox flow batteries are electrochemical energy stores with free-flowing, especially liquid, storage media in which a redox-active material or a redox-active Substance is dissolved in a liquid electrolyte.
  • the electrolytes (called anolyte or catholyte depending on polarity) are provided separately, e.g. B. stored in separate tanks and, if required, fed to an electrochemical energy converter unit (the so-called cell of the redox flow battery) for the charging or discharging process.
  • an electrochemical energy converter unit the so-called cell of the redox flow battery
  • the redox-active materials in the cell are oxidized in separate half-cells or reduced .
  • chemical energy is converted into electrical energy during the discharging process and electrical energy is converted back into chemical energy during the charging process.
  • one advantage of redox flow batteries is that the power (number and size of the electrochemical energy converters/cells) and capacity (electrolyte volume, size and number of tanks) can be adjusted independently of one another, enabling centralized and decentralized storage systems on a few kilowatt scale up to megawatts can be realized .
  • a redox flow battery usually includes a large number of identical cells, which are fluidically connected in parallel and electrically in series.
  • the cells are in particular a stack, the so-called Cell stack, assembled and pressed using a bracing system and, if necessary. braced by means of tie rods.
  • the bracing system usually includes end plates made of plastic and/or non-ferrous metals such as aluminum, between which the individual cells are arranged.
  • the bracing system can be fitted with plastic insulating plates to separate the current-carrying individual cells from the end plates, Current collectors with electrical connections for deriving or Have supply of charging or discharging current and media connections for the supply and removal of the electrolyte (anolyte / catholyte).
  • a so-called bipolar plate e.g. arranged from a graphite plastic composite material.
  • Each individual cell is made up of two half-cells, which are separated by an ion-conducting membrane.
  • the half-cells generally comprise a flux frame and an electrode on which the redox processes take place.
  • the individual components are stacked between the end plates in the following order: bipolar plate, flux frame with electrode, membrane, flux frame with electrode, bipolar plate, flux frame with electrode, etc.
  • the flux frames define the actual effective space of each half-cell, ie the active area in which the electrochemical processes take place.
  • the flux frames fulfill several functions.
  • the flux frames serve on the one hand to fluidly seal the active space against the environment with the help of seals integrated in the flux frame surfaces (sealing function) and on the other hand to electrically insulate the half-cells of a cell from one another (isolation function).
  • the flow frames usually include integrated flow channels for inflow and outflow Dissipation and for the distribution of the electrolyte in the effective space of the cell (fluid distribution function).
  • US 2018/0062188 A1 are one-piece, plate-shaped flow frames which include integrated flow channels for supplying and removing electrolyte and for distributing the electrolyte over a wide area in the effective space of the cell.
  • a one-piece flux frame made of an elastomer material, in which distribution channel structures for the electrolyte are incorporated.
  • the known flux frames are comparatively complex to manufacture because of their structure. Such flux frames are usually produced by machining (milling, drilling, etc.) or by means of injection molding or injection compression molding processes.
  • injection molding processes involve high investment costs for tools and high technological challenges in terms of shape, evenness, dimensional accuracy, surface quality, etc. disadvantageous .
  • the size of the flux frame and the specific design of the channel structures are determined by the injection molding tool used and cannot be changed without major investment outlay.
  • the present invention is concerned with the task of providing a configuration for a redox flow battery that can be flexibly adapted to various requirements enable .
  • a flow frame is to be provided which can be produced inexpensively and flexibly adapted to different requirements.
  • the flux frame is designed for use in an electrochemical cell, in particular for use in a cell of a redox flow battery.
  • the flux frame has a modular structure and includes a frame base body which delimits a frame opening, preferably in the middle.
  • the frame opening defines the actual effective space of the cell.
  • the basic frame body has, at least in sections, a cross-sectional profile that is open on one side, namely in the direction of the frame opening, so that a profile receiving space that is open toward the frame opening is formed.
  • the profile receiving space can, in particular, completely or partially encircle the frame opening.
  • the flux frame also includes an insert, which is arranged in the profile receiving space of the frame body.
  • the profile receiving space forms in particular a type of receiving pocket for the insert.
  • the insert is in particular designed separately in that the insert for assembling the flux frame as a separate Element is provided and then inserted into the profile receiving space.
  • the insert comprises channel structures for the distribution of fluids, in particular over a wide area, in the frame opening.
  • the insert includes channel structures for the areal distribution of electrolyte liquid in the active space.
  • the channel structures can preferably be comb-shaped or fan-shaped, which enables a homogeneous distribution of a fluid, in particular electrolyte fluid, in the frame opening.
  • the insert also has channel structures for supplying and/or removing the fluid.
  • the basic frame body has corresponding fluid channels for feeding the channel structures of the insert, in particular in the form of bores.
  • the insert serves as a spacer within the profile receiving space and for distributing the electrolyte liquid in the active space.
  • the insert can in particular be loosely inserted into the profile receiving space, that is to say it can be joined to the basic frame body in a non-destructively detachable manner.
  • the insert is firmly connected to the basic frame body, for example by welding and/or gluing.
  • the insert can completely or partially surround the frame opening.
  • the insert can in particular be designed in the form of a one-part or multi-part insert frame.
  • the insert is preferably received in a form-fitting manner in the profile receiving space of the basic frame body.
  • the insert is designed and arranged in the profile receiving space of the frame body in such a way that the insert does not protrude from the profile receiving space.
  • the insert can be enclosed on three sides by the basic frame body and sealed by it.
  • such a modular flow frame With such a modular flow frame, the sealing function and fluid distribution function are distributed to different components—frame base body and insert—and thus decoupled from one another. A high degree of flexibility can be achieved in this way.
  • such a modular structure makes it possible to produce flux frames with individually adapted properties in a simple and at the same time inexpensive manner. For example, by using different inserts, it is possible to adjust a flow profile through the frame opening as required—for example as a function of an electrolyte used—without the basic shape of the frame body having to be changed. This makes it possible, for example, to provide a uniform type of basic frame body into which different inserts can then be inserted, depending on the requirement.
  • the insert is formed separately from the basic frame body, the basic frame body and the insert can be made of different materials, in particular. This makes it possible for the respective functions of the frame body or depositors Choosing individually advantageous materials and combining them in a flow frame.
  • the frame base body is made of a comparatively soft material in order to achieve a good sealing effect on neighboring components (e.g. on the membrane, bipolar plate or other flow frame when used in a cell stack), while the insert is made of a comparatively hard material is made to provide a sufficient mechanical dimensional stability of the channel structures, which is required for a reliable electrolyte flow.
  • a flux frame that is modularly constructed from the frame base body and insert can also be produced in a simple and cost-effective manner. Due to the fact that no fluid distributor structures have to be integrated in the basic frame body, the basic frame body can be produced from profile elements which are of comparatively simple design and can therefore be produced inexpensively. For this purpose, it is particularly advantageous if the cross-sectional profile of the basic frame body is designed to be extrudable, ie is designed in such a way that the cross-sectional profile can be produced by means of an extrusion process.
  • the cross-sectional profile is essentially U-shaped.
  • the cross-sectional profile then includes, in particular, two long legs and one short leg.
  • the long legs can be of the same length or of different lengths.
  • U-shaped does not rule out that the basic frame body seen in cross section, has local recesses and/or projections on its outside.
  • the basic frame body can comprise a plurality of extruded profile parts.
  • the profile parts have, in particular, a cross-sectional profile that is open on one side, so that a profile part receiving space is formed in each case.
  • the profile part receiving spaces of the profile parts then provide the profile receiving space of the basic frame body.
  • the extruded profile parts preferably already have the desired cross-sectional profile of the basic frame body, for example a substantially U-shaped cross-sectional profile. Basically, it is also conceivable that the profile parts from several extruded profile segments of different geometry, z. B. L-profiles are assembled.
  • At least a subset, but preferably all profile parts of the basic frame body have the same cross-sectional profile.
  • the individual profile parts are preferably identical in their basic shape and differ only in their length. With such a design, it is possible in particular to produce the profile parts using the same extrusion die, e.g. by cutting a corresponding endless profile strand to length.
  • the basic frame body can be composed of a plurality of profile parts.
  • the profile parts are preferably connected to one another at their ends to form the basic frame body.
  • the profile part receiving spaces of the profile parts then together form a profile receiving space of the frame base body that completely surrounds the frame opening.
  • a basic frame body with a rectangular basic shape can be composed of two short profile parts and two long profile parts.
  • the profile parts can be connected to one another via connecting parts.
  • the basic frame body can comprise two profile parts and two connecting parts connecting the profile parts to one another.
  • the connecting parts are then in particular designed and arranged between the profile parts in such a way that they engage with a respective end section in the profile receiving part spaces of the profile parts, in particular in a form-fitting manner.
  • the connecting parts together with the profile parts form the basic frame body.
  • the connecting parts are not completely accommodated in the profile part receiving spaces, but rather form a part of the structure directly delimiting the frame opening with a central section.
  • the connecting parts and the Profile parts are formed separately in particular in that the profile parts and the connecting parts for assembling the flux frame are provided as separate elements and are joined together.
  • connection parts For a secure connection, it can also be advantageous if the connection parts have connection contours, for example tap in the form of connecting, have. Then the profile elements corresponding counter-connection contours, for example. in the form of corresponding recesses, into which the connection contours engage in the assembled configuration.
  • the connecting parts can, for example. be produced by means of extrusion processes or injection molding processes.
  • the insert comprises, in particular, a plurality of separate insert parts, one insert part being arranged in each profile part receiving space of the two profile parts.
  • the profile parts are preferably connected to one another in a fluid-tight manner.
  • the frame body without connecting parts if the profile parts are cut to length at their ends with a miter and are connected to one another in a material-locking manner, e.g. by gluing and/or welding.
  • the profile parts can be connected to one another in a fluid-tight manner via the connecting parts.
  • the connecting parts are firmly connected to the profile parts, for example by welding and/or gluing. Because the connecting parts engage in the profile receiving spaces of the profile parts, a comparatively large connecting surface is provided, which promotes reliable sealing.
  • the channel structures of the insert can run inside the insert.
  • the channel structures can be internal, ie surrounded by insert material.
  • the channel structures of the insert are formed by recesses on the outside of the insert.
  • the channel structures are preferably formed on the outside on a surface of the insert.
  • Such external channel structures are relatively easy to produce, for example. by machining the outside of the insert or by embossing.
  • the channel structures are then open on one side.
  • the external channel structures are then closed by an inner wall of the basic frame body when the insert is installed as intended in the basic frame body, so that closed fluid channels are formed in cooperation with the basic frame body.
  • the insert has sealing contours on its outer surface for sealing against the basic frame body.
  • Sealing contours are preferably provided for sealing the, in particular external, channel structures of the insert.
  • the sealing contours in particular be arranged in such a way that they enclose a channel structure between them, in particular follow a course of the channel structure.
  • An advantageous embodiment of the sealing contours can consist in particular in that the insert has at least one, in particular peripheral, projection on its outside. With the intended arrangement of the insert in the profile receiving space, the at least one projection of the insert can then dig into the preferably softer frame base body and in this way provide a sealing effect.
  • the basic frame body it is also possible for the basic frame body to have corresponding counter-seal contours.
  • the basic frame body can have at least one corresponding, in particular circumferential, groove on its inner wall facing the profile receiving space, into which the at least one projection of the insert engages when the insert is arranged as intended in the profile receiving space.
  • the insert can have at least one groove and for the basic frame body to have at least one projection.
  • the frame base body is made of an elastomer that is chemically resistant to the electrolyte, in particular consists of it.
  • the profile parts are made of an elastomer that is chemically resistant to the electrolyte and at the same time extrudable.
  • the frame body or the profile parts are made of a thermoplastic elastomer, in particular thermoplastic polyethylene (TPE), thermoplastic polystyrene (TPS), thermoplastic polyurethane (TPU), a thermoplastic vulcanizate (TPV) or combinations of these materials.
  • TPE thermoplastic polyethylene
  • TPS thermoplastic polystyrene
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • TPV thermoplastic vulcanizate
  • the elastomer from which the basic frame body or the profile parts are produced has a Shore hardness in the range from 40 to 90 Shore A, preferably in the range from 50 to 80 Shore A.
  • Such an elastomer is soft enough to achieve a good seal between the frame body and adjacent components (e.g. inserts, bipolar plate, membrane, etc.), but still has sufficient mechanical strength, e.g. in order to provide sufficient dimensional stability when the basic frame body is later pressed in a cell stack.
  • the insert is made from a different material than the basic frame body.
  • the insert is preferably made of a plastic that is harder and/or stiffer than the material of the basic frame body.
  • the combination of softer frame base material and harder insert material can create a good seal between the two Components are achieved, for example. via the sealing contours described above.
  • by forming the insert from a comparatively hard material it can be ensured that a cross section of the channel structures of the insert does not or is changed only very slightly. In this way, a reliable flow of fluid can be ensured.
  • the insert is preferably made from a thermoplastic material, in particular from polypropylene (PP), polyethylene (PE) and/or polyvinyl chloride (PVC).
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • the depositors can easily mechanically, for example. be manufactured by milling or, in the case of larger quantities, by a cost-effective injection molding process.
  • the insert can be designed in one piece, in particular monolithically, for example in the form of an insert frame. This enables easy handling of the insert when assembling the flux frame.
  • the insert can also be made in several parts.
  • the insert can comprise at least two, preferably two or four, separately formed insert parts.
  • the inserts can then easily be placed separately in the profile receiving space of the frame body or are inserted into the profile part receiving spaces of the profile parts.
  • a multi-part design of the insert makes it possible to easily adapt an electrolyte distribution in the active space to different requirements (e.g. depending on the electrolyte used or depending on the size and geometry of the frame body, etc. ) flexible to adapt .
  • a flow profile of the electrolyte liquid in the active space can be adjusted individually through a specific arrangement and configuration of the insert parts.
  • a set of standard insert parts is provided, which can then be flexibly combined depending on requirements.
  • Such a modular structure from standard components is particularly cost-effective.
  • insert parts with different channel structures to be provided at different positions around the frame opening.
  • only a subset of the insert parts has channel structures at all.
  • the insert parts can in particular have different geometries, for example rectangular, L-shaped, or trapezoidal basic shapes. It is also possible for the insert parts to have differently shaped channel structures.
  • the basic frame body with a rectangular basic shape, it can be particularly advantageous if, preferably only, those insert parts which are arranged on the longitudinal sides of the basic frame body have channel structures for distributing the fluid in the frame opening.
  • the electrolyte then only has to cover a comparatively short flow path through an electrode arranged in the frame opening (namely along the short sides of the flux frame) so that the pressure drop when flowing through the electrode is small.
  • the insert parts are preferably connected to one another in a fluid-tight manner when arranged as intended in the frame base body.
  • the insert parts can be connected to one another to form an insert frame, in particular in a material-locking and/or positive-locking manner, for example via tongue-and-groove connections.
  • the flow frame can have a receiving area for receiving a bipolar plate (bipolar plate receiving area) and/or have a receiving area for receiving a membrane (membrane receiving area).
  • a bipolar plate receiving area When using the flow frame in a cell or a cell stack, a membrane or be arranged a bipolar plate.
  • the recording areas enable easy positioning of the bipolar plate or Membrane and at the same time promote a secure, position-accurate mounting of the membrane or bipolar plate .
  • a bipolar plate receiving area and a membrane receiving area are formed on opposite outer sides of the flow frame.
  • a preferred embodiment consists in that the respective receiving area is formed by a recess on an outer side of the basic frame body.
  • the frame body at least one those outer sides which are oriented parallel to a frame plane spanned by the frame opening have a recess bordering the frame opening and surrounding it.
  • the recess is stepped in cross-section viewed along the direction of rotation.
  • the basic frame body has in particular an edge which extends orthogonally to the plane of the frame and surrounds the frame opening and which forms a stop for the bipolar plate or the membrane.
  • a recess forming the bipolar plate receiving area and a recess forming the membrane receiving area are arranged in particular on opposite outer sides of the frame base body.
  • the profile parts can have a stepped recess, at least on one of those outer sides which are oriented orthogonally to the open side, in particular on both opposite outer sides, which extends along the entire longitudinal extension of the profile parts .
  • Such a profile part is then designed so that it can be extruded.
  • the basic frame body has peripheral sealing lips for fluid-tight sealing of a bipolar plate and/or membrane lying thereon.
  • the frame base body has a groove surrounding the frame opening on one of those outer sides which are oriented parallel to a frame plane spanned by the frame opening and on the opposite outer side a corresponding, the frame opening has a peripheral projection.
  • the frame body is designed in particular in such a way that flux frames arranged next to one another can be connected to one another in the manner of tongue and groove, in particular in a fluid-tight manner.
  • the individual profile parts on one of those outer sides which are oriented orthogonally to the open side can extend along their longitudinal extent, in particular from their respective first end to the second end Have a groove and have a corresponding projection on their opposite outside.
  • Such a profile part is designed to be extrudable.
  • a flux frame-electrode unit which in particular comprises a flux frame described above and an electrode.
  • the electrode is preferably arranged within the frame opening, ie in particular bordered by the flux frame.
  • the electrode is designed and arranged in such a way that it Completely fills the frame opening.
  • the electrode can in particular be a felt electrode, preferably made of a carbon material, for example. from a graphite felt z.
  • the electrode can in particular be designed and arranged in such a way that the electrode is flush with the inner edges of the frame base body facing the frame opening.
  • the profile receiving space is closed by the electrode on its open side. Electrolyte liquid flowing through the channel structures of the insert in the direction of the frame opening can then be taken up directly by the electrode and reduced or dissolved in it. to be oxidized.
  • the electrode can also be designed and arranged in such a way that the electrode penetrates in sections into the profile receiving space of the frame base body.
  • a penetration depth is preferably 1 to 5 mm.
  • the electrode can also be advantageous if the electrode is taken in a form-fitting manner in the profile receiving space.
  • a cell for a redox flow battery is proposed, which comprises a first and a second flow frame electrode unit explained above.
  • the cell also includes a membrane, which is arranged between the first and the second flux frame electrode assembly.
  • the flux frame electrode units each form a half cell of the cell.
  • the membrane enables ion exchange between the half-cells.
  • the membrane is designed to be ion-conducting, in particular made from an ion-conducting material.
  • the membrane is preferably accommodated in an above-described membrane accommodation area of the flow frame.
  • the two flux frames can be of identical design.
  • the flux frame of the second flux frame-electrode unit can then be folded around one of its outer edges by 180°, in particular relative to the flux frame of the first flux frame-electrode unit.
  • only one flux frame type is required for the construction of a cell, which enables the cell to be manufactured particularly cost-effectively.
  • a cell stack which a plurality of includes cells described above.
  • the cells are stacked on top of one another along a stacking direction that is orthogonal to the stacking direction that is orthogonal to the frame plane spanned by the flux frame.
  • a bipolar plate is in each case arranged between adjacent cells.
  • a bipolar plate is assigned to two adjacent half-cells.
  • the bipolar plates are preferably arranged in the bipolar plate receiving areas described above.
  • a respective bipolar plate completely covers the frame opening of the adjacent flux frames.
  • the bipolar plates and/or the membranes are designed and arranged in such a way that - viewed in the stacking direction - they are in a direction orthogonal to the stacking direction with the respective insert of the adjacent flux frame - Partially overlapping the electrode units.
  • the bipolar plate and/or the membrane extend radially beyond the frame opening in particular in such a way that they partially cover the insert of the adjoining flux frame when viewed in the stacking direction.
  • a further advantageous development of the cell stack can consist in the fact that a respective flow frame is connected in a fluid-tight manner to the other flow frame belonging to the same cell and/or to the flow frame of an adjacent cell.
  • the flux frames can be connected to one another and sealed from one another via the tongue and groove connection described above.
  • the individual flux frames on the surrounding surfaces e.g. are joined together in a fluid-tight manner by means of welding and/or gluing. Additional sealing lips can reduce the surface forces for pressing the components of the cell stack
  • a profile strand is extruded, which has a cross-sectional profile that is open on one side, preferably essentially U-shaped, so that a profile part receiving space that is open on one side is formed.
  • the extruded profile is then cut to length to form the profile parts according to a desired size of the later flux frame.
  • Fluid channel structures can optionally be produced in at least a subset of the profile parts.
  • locally defined recesses can be produced in the corresponding profile parts, preferably by drilling or punching.
  • the assembly device is designed in particular in such a way that it defines a rectangular receiving space whose inner circumference essentially corresponds to an outer dimension of the future frame body.
  • the profile parts are connected to the frame base body in a fluid-tight manner, in particular in a material-tight manner, at connecting sections.
  • connection contours can be produced at the respective ends, in particular at the front sides, of the profile parts, for example by cutting or punching out.
  • the profile parts can first be mitred to length at the respective end faces and then connected to one another at their end faces by welding and/or gluing.
  • the profile parts can also be connected to one another via the connecting parts described above. Then the profile parts and the connecting parts are first joined together mechanically and then connected to one another with a material fit.
  • a depositor or a plurality of insert parts are provided and inserted into the profile receiving spaces of the profile parts.
  • the depositor or the insert parts are inserted into the profile part receiving spaces of the individual profile parts before the profile parts are connected to form the basic frame body.
  • the depositor or the inserts are inserted into the profile receiving space of the frame body only after the profile parts have been connected to form the frame body.
  • the insert or the insert parts can be connected to the profile parts, in particular in a materially bonded manner, preferably in the course of connecting the profile parts to form the basic frame body.
  • FIG. 1 outlined representation of an embodiment of a flux frame in a plan view
  • FIG. 2 Sketched representation of the flux frame according to FIG. 1 in a sectional view along the sectional plane II-II shown in FIG. 1;
  • FIGS. 3a-e sketched representations of different configurations of a basic frame body in a sectional view corresponding to the sectional plane II-II drawn in FIG. 1;
  • FIGS. 4a-c sketched representations of different configurations of an insert part in a plan view
  • FIG. 6 sketched representation of a section of a redox flow cell in a sectional view along a sectional plane corresponding to the sectional plane II-II shown in FIG. 1;
  • FIGS. 7a-b sketched representations of two configurations of a half-cell
  • FIG. 9 sketched representation of the flux frame according to FIG. 8 in a sectional view along the sectional plane IX-IX drawn in FIG. 8;
  • FIG. 1 shows an embodiment of a flux frame, which is denoted overall by reference number 10 .
  • the flux frame 10 is designed in particular for use in a redox flow cell 12, which is described in detail below and shown in sections in FIG.
  • the flux frame 10 has a modular structure and comprises a frame base body 14 and an insert 16 arranged in the frame base body 14 (indicated by dashed lines in FIG. 1).
  • the basic frame body 14 delimits a central frame opening 18 which defines the actual effective space of the cell 12 (explained in more detail below).
  • the basic frame body 14 consists of a plurality, in the example shown four, profile parts 15-
  • the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 are produced by way of example and preferably by means of an extrusion process (see below).
  • the basic frame body 14 and the frame opening 18 each have a rectangular basic shape.
  • two long profile parts 15-2, 15-4 and two short profile parts 15-1, 15-3 are provided.
  • other polygonal geometries are also conceivable.
  • profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 are connected to one another in a fluid-tight manner, for example by means of gluing and/or welding.
  • the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 and thus the basic frame body 14 composed of them, viewed in the circumferential direction around the frame opening 18, have a cross-sectional profile that is open on one side in the direction of the frame opening 18 .
  • the cross-sectional profile is essentially U-shaped with a short leg 22 and two long legs 24-1, 24-2.
  • the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 each delimit an internal profile part receiving space 26', which is open on one side through a profile opening 28. If the profile parts 15 - 1 , 15 - 2 , 15 - 3 , 15 - 4 are assembled to form the basic frame body 14 , a profile receiving space 26 encircling the frame opening 18 and open in the direction of the frame opening 18 is formed.
  • FIGS. 3a to 3e show further exemplary cross-sectional profiles which the basic frame body 14 can have.
  • the basic frame body 14 can be formed mirror-symmetrically to a frame plane spanned by the frame opening 18 (cf. FIGS. 3a and 3b). It is also possible for the frame base body 14 to have recesses on its outer sides 30, 32 oriented orthogonally to the plane of the frame 70', 72', 82 or projections 78, 84 (cf. FIGS. 3b to 3e, described in detail below).
  • the profile part receiving space 26' can also have an internal step 34.
  • the frame base body 14 is made, for example and preferably, from a thermoplastic elastomer with a Shore hardness of 50 to 80 Shore A.
  • the insert 16 mentioned above is arranged in the profile receiving space 26 of the basic frame body 14 .
  • the insert 16 is formed separately from the frame base body 14 and is inserted into the profile receiving space 26 for assembling the flux frame 10 (explained in more detail below in relation to the manufacturing method).
  • the insert 16 is made from a more rigid material than the basic frame body 14 , in particular from polypropylene (PP), polyethylene (PE) and/or polyvinyl chloride (PVC).
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • the insert 16 is designed, for example, in such a way that it completely surrounds the frame opening 18 .
  • the insert 16 is also dimensioned such that it does not protrude from the profile receiving space 26 and is positively received in the profile receiving space 26 (cf. FIG. 2).
  • the insert 16 comprises channel structures 36, explained in more detail below, which are designed to distribute electrolyte liquid in the frame opening 18.
  • the insert 16 can be designed in such a way that channel structures 36 are provided along its entire circumference. By way of example and preferably, however, the channel structures 36 are only arranged on the longitudinal sides 38 - 1 , 38 - 2 of the flux frame 10 .
  • the insert 16 can be designed in one piece, for example in the form of an insert frame (shown as an example in FIG. 1).
  • the insert 16 can also be formed from a plurality of separately provided insert parts 16'. These can be inserted separately from one another in the profile receiving space 26 and optionally connected to one another in a fluid-tight manner, in particular in a materially bonded manner.
  • the insert parts 16′ can be configured differently.
  • a selection of exemplary configurations of the insert parts 16' is shown in FIGS. 4a to 4c.
  • the inserts 16' can have a trapezoidal (see FIG. 4a) or rectangular (see FIG. 4b) or L-shaped (see FIG. 4c) basic shape.
  • different insert parts 16' can be used and combined with one another.
  • the insert parts 16′ shown in FIGS. 4a to 4c each include the channel structures 36 mentioned above.
  • the channel structures 36 include a fluid connection 40, a fluid guide 42—meandering in the example shown—and comb-shaped distributor structures 44, which open into the frame opening 18 when the insert parts 16′ are installed as intended.
  • This configuration of the channel structures 36, 40, 42, 44 which is only shown as an example for the insert parts 16' in the figures, can also be provided in a corresponding manner in the case of a one-piece design of the insert 16.
  • the channel structures 36, 40, 42, 44 are, for example and preferably, formed by corresponding recesses 46 on an outer side 48 of the insert 16 or of the insert parts 16' (cf. FIG. 2).
  • the channel structures 36, 40, 42, 44 are then closed by an inner wall 50 of the basic frame body 14 (cf. FIG. 2).
  • the basic frame body 14 has corresponding bores 52 for feeding the channel structures 36 with electrolyte liquid.
  • the insert 16 or the insert parts 16′ can have optional projections 54-1, 54- on its outer side 48—for sealing the channel structures 36 and/or fluid passages 52, which will be explained in more detail below, with respect to the frame base body 14. 2 such that a channel structure 36 to be sealed between the projections 54-
  • the insert 16 or the insert parts 16' are installed as intended in the profile receiving space 26
  • the projections 54-1, 54-2 of the insert 16 can then dig into the inner wall 50 of the softer basic frame body 14 and thus provide a sealing effect.
  • the frame base body 14 it is also possible for the frame base body 14 to have corresponding grooves 56-1, 56-2 on the inner wall 50 of the frame base body 14 facing the profile receiving space 26, in which grooves the projections 54-1, 54-2 engage.
  • FIG. 6 shows the cell 12 in a sectional view along a sectional plane corresponding to the sectional plane II-II in FIG.
  • the cell 12 comprises two half-cells 58-1, 58-2, between which a membrane 60 is arranged.
  • Each half cell 58-1, 58-2 comprises a flux frame electrode unit 62-1, 62-
  • each have a flux frame 10 and a comprises an electrode 64 arranged in the frame opening 18 of the flux frame 10 (described in detail below with reference to FIGS. 7a and 7b).
  • the flux frames 10 of the two flux frame-electrode units 62-1, 62-2 are identical to one another, but are folded relative to one another by 180° about the membrane plane.
  • the membrane 60 is preferably designed and arranged in such a way that the frame opening 18 and the electrode 64 arranged therein are, in particular completely, covered by the membrane 60 .
  • a plurality of such cells 12 are preferably stacked on top of one another in a stacking direction 66 to form a cell stack (not shown) and pressed against one another by a bracing system (not shown).
  • a bipolar plate 68 is provided between the individual cells, which electrically connects two adjacent cells 12 .
  • Two such bipolar plates 68 are shown in FIG.
  • a bipolar plate 68 also completely covers frame opening 18 .
  • FIG. 7a which shows a half-cell 58-1 of the cell 12 according to FIG Outside 32 of the frame body 14 is formed.
  • the bipolar plate 68 is also arranged in a corresponding bipolar plate receiving area 72 which is formed on the opposite outer side 30 of the basic frame body 14 .
  • the membrane receiving area 70 and the bipolar plate receiving area 72 are formed by a stepped recess 70', 72' viewed in cross section on those outer sides 30, 32 of the frame base body 14 which are oriented parallel to a frame plane spanned by the frame opening 18 (see also FIG. 2).
  • the respective stepped recess 70', 72' adjoins the frame opening 18 and preferably completely surrounds it.
  • an edge 74 or 76 is formed by the stepped recesses 70', 72', which extends orthogonally to the frame plane spanned by the frame opening 18 and forms a stop for the membrane 60 or the bipolar plate 68 forms.
  • the insert 16 and the membrane receiving area 70 or the bipolar plate receiving area 72 are matched to one another in such a way that a membrane 60 or bipolar plate 68 lying against the respective edge 74 or 76 partially overlaps the insert 16 when viewed in the stacking direction 66 ( cf. Figure 7a).
  • FIGS. 3a to 3e fundamentally different configurations of the frame base body 14 are conceivable with respect to the receiving regions 70 , 72 .
  • the configurations of the receiving areas 70, 72 or Recesses 70', 72' regardless of the other design features of the frame base body 14 specifically shown in the relevant figures (e.g.
  • neither membrane receiving area 70 nor bipolar plate receiving area 72 are provided.
  • membrane 60 or Bipolar plates 69 are then in particular in contact with the two planar outer sides 30 , 32 of the frame base body 14 .
  • a stepped recess 70 or 72' is provided, ie both membrane receiving area 70 and bipolar plate receiving area 72. It is also possible for a stepped recess 70', 72' to be provided on only one of the outer sides 30, 32, which then forms either a membrane receiving area 70 or a bipolar plate receiving area 72 (cf.
  • FIGS. 3c and 3d As shown in FIG. 3e by way of example for a recess 72', within such a stepped recess 70' or 72', a local projection 78 can also be provided, which can serve in particular as a sealing lip and/or positioning aid. Such a projection 78 can be provided in the membrane receiving area 70 and/or in the bipolar plate receiving area 72 .
  • FIGS. 7a and 7b Two exemplary configurations of a flux frame electrode unit 62 are described below with reference to FIGS. 7a and 7b, which differ only in the specific configuration and arrangement of the electrode 64.
  • the electrode 64 is exemplary and preferably designed as a felt electrode, for example. made from a graphite felt z.
  • the electrode 64 is designed and arranged in such a way that it is flush with the inner edges 80 of the frame base body 14 facing the frame opening 18 . Viewed in cross section, the electrode 64 is flush with the free ends 80 of the two long legs 24 - 1 , 24 - 2 of the frame base body 14 . In this respect, the profile opening 28 is closed by the electrode 64 . In the example shown, the insert 16 is dimensioned in such a way that it lies directly against the electrode 64 .
  • the electrode 64 is designed and arranged in such a way that it partially penetrates into the profile receiving space 26 of the frame base body 14 and is received there in a form-fitting manner.
  • the insert 16 and the electrode 64 are also designed here in such a way that the electrode 64 is in direct contact with the insert 16.
  • the frame base bodies 14 of the flux frames 10 can be connected to one another in a fluid-tight manner in the manner of tongue and groove.
  • FIG. 3e shows an exemplary configuration of such a tongue and groove connection in cross section.
  • the basic frame body 14 has a groove 82 surrounding the frame opening 18 on a first outer side 32 and a corresponding projection 84 (tongue) surrounding the frame opening on the opposite outer side 30 .
  • the profile parts 15-2, 15-4 can also be connected to one another via connecting elements 86-1, 86-2.
  • the flux frame 14 is composed of two profile parts 15-2, 15-4 and two connecting parts 86-1, 86-2.
  • the connecting parts 86-1, 86-2 are arranged between the profile parts 15-2, 15-4 and engage with a respective end section 88 in the profile receiving spaces 26' of the profile parts 15-2, 15-4 (in Figure 9a by way of example for a junction shown) .
  • the connecting parts 86-1, 86-2 are cohesively connected to the profile parts 15-2, 15-4.
  • an insert part 16′-1, 16′-2 is arranged in the profile receiving spaces 26′ of the two profile parts 15-2, 15-4 Channel structures 36 have.
  • the connecting parts 86-1, 86-2 can also have connecting contours, for example in the form of connecting pins 90, on their end sections 88. Then the profile parts 15-2, 15-4 preferably each have corresponding recesses 92, in which the connecting pins 90 are positively received when arranged as intended.
  • a profile strand which has the desired cross-sectional profile (cf. FIGS. 3a to 3e) is first extruded and cut to length according to a desired size of the future frame body 14.
  • two short profile parts 15-1, 15-3 and two long profile parts 15-2, 15-4 are produced, for example.
  • the respective ends 20 of the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 connecting contours 21 are then produced (cf. FIG. 1).
  • the connection contours 21 are produced in that the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 are mitred to length at their ends 20, for example by cutting or punching.
  • the insert 16 or the inserts 16′ are produced, for example, by primary shaping, reshaping, cutting or by injection molding processes.
  • the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 and the insert 16 or the insert parts 16' are then assembled to form the flux frame 10.
  • the insert 16 or the insert parts 16' are first inserted into the profile part receiving spaces 26' of the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4.
  • the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 are connected at their ends 20 to the frame base body 14 in a fluid-tight manner, for example by welding and/or gluing.
  • the inserts 16' can also be cohesively connected to one another and/or to the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4.
  • the insert parts 16′ can also be inserted into the profile receiving space 26 only after the profile parts 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 have been connected.
  • two profile parts 15-2, 15-4 and two insert parts 16'-1, 16'-2 are first produced in the manner described above.
  • the connecting parts 86-1, 86-2 are produced, for example by means of an injection molding process.
  • the insert parts 16'-1, 16'-2 are then first inserted into the profile part receiving spaces 26' of the profile parts 15-2, 15-4 and then the profile parts 15-2, 15-4 with the connecting parts 86 -1, 86-2 joined together and connected to each other in a cohesive manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen modularen Flussrahmen (10) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Zelle eines Redox-Flow-Batterie-Stacks, umfassend einen Rahmengrundkörper (14), welcher eine Rahmenöffnung (18) definiert, wobei der Rahmengrundkörper ein einseitig, in Richtung der Rahmenöffnung offenes, vorzugsweise im Wesentlichen U-förmiges, Querschnittsprofil aufweist, sodass ein zu der Rahmenöffnung hin offener Profilaufnahmeraum (26) gebildet ist, außerdem umfassend einen Einleger (16), welcher in dem Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers angeordnet ist, wobei der Einleger Kanalstrukturen zur Verteilung von Fluiden in der Rahmenöffnung aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Flussrahmen-Elektroden-Einheit, eine Zelle, einen Zellstack sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Flussrahmens.

Description

Titel : Modularer Flussrahmen für eine elektrochemische
Zelle , Flussrahmen-Elektroden-Einhei t , Zelle , Zellstack , sowie Verfahren zur Herstellung eines Flussrahmens
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft einen modularen Flussrahmen für eine elektrochemische Zelle , insbesondere für einen Redox-Flow- Batterie-Stack . Die Erfindung betri f ft auch eine Flussrahmen-Elektroden-Einheit , eine Zelle , einen Zellstack sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Flussrahmens .
Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher mit fließ fähigen, insbesondere flüssigen, Speichermedien, in denen ein redox-aktives Material bzw . eine redox-aktive Substanz in einem flüssigen Elektrolyten gelöst ist . Die Elektrolyten ( j e nach Polarität Anolyt bzw . Katholyt genannt ) werden separat bereitgestellt , z . B . in separaten Tanks gelagert und bei Bedarf einer elektrochemischen Energiewandlereinheit ( der sog . Zelle der Redox-Flow- Batterie ) für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt . Beim Lade- bzw . Entladeprozess werden die redox-aktiven Materialien in der Zelle in getrennten Halbzellen oxidiert bzw . reduziert . Hierbei wird beim Entladeprozess chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und beim Ladeprozess elektrische Energie in chemische Energie zurück umgewandelt . Ein Vorteil von Redox-Flow-Batterien besteht insbesondere darin, dass Leistung (Anzahl und Größe der elektrochemischen Energiewandler/ Zellen) und Kapazität (Elektrolytvolumen, Größe und Anzahl der Tanks ) unabhängig voneinander einstellbar sind, sodass zentrale und dezentrale Speichersysteme im Maßstab von wenigen Kilowatt bis Megawatt realisierbar sind .
Eine Redox-Flow-Batterie umfasst üblicherweise eine Viel zahl von baugleichen Zellen, welche fluidisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind . Die Zellen sind insbesondere zu einem Stapel , dem sog . Zellstack, zusammengefügt und über ein Verspannsystem verpresst und ggf . mittels Zugankern verspannt . Das Verspannsystem umfasst üblicherweise Endplatten aus Kunststof f und/oder Nichteisenmetallen wie Aluminium, zwischen denen die Einzel zellen angeordnet sind . Zusätzlich kann das Verspannsystem Kunststof f- I solierplatten zur Trennung der stromführenden Einzel zellen von den Endplatten, Stromabnehmer mit elektrischen Anschlüssen zur Ableitung bzw . Zuführung des Lade- oder Entladestroms sowie Medienanschlüsse für die Zu- und Abführung des Elektrolyten (Anolyt/Katholyt ) aufweisen .
Zur elektrischen Verbindung der Einzel zellen untereinander ist zwischen zwei Einzel zellen üblicherweise eine sogenannte Bipolarplatte , bspw . aus einem Graphit- Kunststof f-Komposit-Material , angeordnet . Jede Einzel zelle ist wiederum aus zwei Halbzellen aufgebaut , die durch eine ionenleitende Membran getrennt sind . Die Halbzellen umfassen ihrerseits in der Regel einen Flussrahmen und eine Elektrode , an welcher die Redoxvorgänge stattfinden . In einem Zellstack sind insofern die Einzelbauteile in folgender Reihenfolge zwischen den Endplatten gestapelt : Bipolarplatte , Flussrahmen mit Elektrode , Membran, Flussrahmen mit Elektrode , Bipolarplatte , Flussrahmen mit Elektrode , usw .
Die Flussrahmen definieren gemeinsam mit den Elektroden den eigentlichen Wirkraum einer j eweiligen Halbzelle , also den aktiven Bereich, in dem die elektrochemischen Prozesse ablaufen . Hierbei erfüllen die Flussrahmen mehrere Funktionen . Insbesondere dienen die Flussrahmen einerseits dazu, den Wirkraum mit Hil fe von in den Flussrahmen- Oberflächen integrierten Dichtungen fluidisch gegen die Umgebung abzudichten (Abdicht funktion) , und andererseits dazu, die Halbzellen einer Zelle voneinander elektrisch zu isolieren ( I solierfunktion) . Zudem umfassen die Flussrahmen in der Regel integrierte Strömungskanäle zur Zu- und Abführung sowie zur Verteilung des Elektrolyten im Wirkraum der Zelle ( Fluid-Verteilerfunktion) .
Bekannt , bspw . aus der US 2018 / 0062188 Al , sind einteilige , plattenförmige Flussrahmen, welche integrierte Strömungskanäle zur Elektrolyt zu- und -abführung sowie zur flächigen Verteilung des Elektrolyten im Wirkraum der Zelle umfassen . Aus der US 2016/ 0006046 Al ist außerdem ein einteiliger Flussrahmen aus einem Elastomermaterial bekannt , in den Verteilkanalstrukturen für den Elektrolyt eingearbeitet sind . Die bekannten Flussrahmen sind aufgrund ihres Aufbaus vergleichsweise aufwändig in der Herstellung . Üblicherweise werden solche Flussrahmen durch spanende Bearbeitung ( Fräsen, Bohren, etc . ) oder mittels Spritzgussoder Spritzprägeprozessen hergestellt . Während spanende Bearbeitung durch den hohen apparativen Aufwand und lange Maschinenlauf zeiten vergleichsweise zeit- und kostenintensiv ist , sind bei Spritzgussverfahren vor allem hohe Investitionskosten für Werkzeuge und hohe technologische Heraus forderungen hinsichtlich Formgebung, Ebenheit , Maßhaltigkeit , Oberflächengüte , etc . nachteilig . Insbesondere bei Spritzgussverfahren sind Größe des Flussrahmens und spezi fische Ausgestaltung der Kanalstrukturen durch das verwendete Spitzgusswerkzeug festgelegt und nicht ohne größeren Investitionsaufwand veränderbar .
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe , für eine Redox-Flow-Batterie eine an verschiedene Anforderungen flexibel anpassbare Konfiguration zu ermöglichen . Insbesondere soll ein Flussrahmen bereitgestellt werden, welcher kostengünstig herstellbar und flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassbar ist .
Diese Aufgabe wird durch einen Flussrahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Der Flussrahmen ist für eine Verwendung in einer elektrochemischen Zelle ausgebildet , insbesondere zur Verwendung in einer Zelle einer Redox-Flow-Batterie .
Der Flussrahmen ist modular aufgebaut und umfasst einen Rahmengrundkörper, welcher eine , vorzugsweise mittige , Rahmenöf fnung umgrenzt . Insbesondere definiert die Rahmenöf fnung den eigentlichen Wirkraum der Zelle .
Der Rahmengrundkörper weist in Umfangsrichtung um die Rahmenöf fnung betrachtet zumindest abschnittsweise ein einseitig, nämlich in Richtung der Rahmenöf fnung of fenes Querschnittsprofil auf , sodass ein zu der Rahmenöf fnung hin of fener Profilaufnahmeraum gebildet ist . Der Profilaufnahmeraum kann die Rahmenöf fnung insbesondere vollständig oder partiell umlaufen .
Der Flussrahmen umfasst außerdem einen Einleger, welcher in dem Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers angeordnet ist . Der Profilaufnahmeraum bildet insofern insbesondere eine Art Aufnahmetasche für den Einleger . Der Einleger ist insbesondere insofern separat ausgebildet , als dass der Einleger zum Zusammenbau des Flussrahmens als separates Element bereitgestellt wird und dann in den Profilaufnahmeraum eingelegt wird .
Der Einleger umfasst Kanalstrukturen zur, insbesondere flächigen, Verteilung von Fluiden in der Rahmenöf fnung . Insbesondere umfasst der Einleger Kanalstrukturen zur flächigen Verteilung von Elektrolyt flüssigkeit in dem Wirkraum . Die Kanalstrukturen können vorzugsweise kamm- oder fächerförmig ausgebildet sein, was eine homogene Verteilung eines Fluids , insbesondere von Elektrolytf lüssigkeit , in der Rahmenöf fnung ermöglicht . Insbesondere weist der Einleger zusätzlich Kanalstrukturen zur Zu- und/oder Abführung des Fluids auf . Zu diesem Zweck kann es ferner vorteilhaft sein, wenn der Rahmengrundkörper entsprechende Fluidkanäle zur Speisung der Kanalstrukturen des Einlegers aufweist , insbesondere in Form von Bohrungen .
Der Einleger dient als Distanzstück innerhalb des Profilaufnahmeraums und zur Verteilung der Elektrolyt flüssigkeit im Wirkraum . Der Einleger kann insbesondere in den Profilaufnahmeraum lose eingelegt sein, also zerstörungs frei lösbar mit dem Rahmengrundkörper zusammengefügt sein . Denkbar ist aber auch, dass der Einleger mit dem Rahmengrundkörper stof f schlüssig verbunden ist , bspw . durch Verschweißen und/oder Verkleben . Der Einleger kann die Rahmenöf fnung vollständig oder partiell umlaufen . Der Einleger kann insbesondere in Form eines ein- oder mehrteiligen Einlegerahmens ausgestaltet sein . Vorzugsweise ist der Einleger formschlüssig in dem Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers auf genommen . Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn der Einleger derart ausgebildet und in dem Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers angeordnet ist , dass der Einleger nicht aus dem Profilaufnahmeraum herausragt . Der Einleger kann insofern an drei Seiten von dem Rahmengrundkörper umschlossen und durch diesen abgedichtet sein .
Bei einem solchen modular aufgebauten Flussrahmen sind Abdicht funktion und Fluid-Verteilerfunktion auf unterschiedliche Bauteile - Rahmengrundkörper und Einleger - verteilt und somit voneinander entkoppelt . Hierdurch kann eine hohe Flexibilität erzielt werden . Insbesondere ermöglicht es ein solcher modularer Aufbau, Flussrahmen mit individuell angepassten Eigenschaften auf einfache und zugleich kostengünstige Weise herzustellen . Beispielsweise ist es möglich, durch die Verwendung unterschiedlicher Einleger ein Strömungsprofil durch die Rahmenöf fnung - beispielsweise in Abhängigkeit eines eingesetzten Elektrolyten - bedarfsgerecht einzustellen, ohne dass der Rahmengrundkörpers in seiner Grundform verändert werden muss . Dies macht es beispielsweise möglich, einen einheitlichen Typus von Rahmengrundköper bereitzustellen, in den dann - j e nach Anforderung - unterschiedliche Einleger eingelegt werden können .
Dadurch, dass der Einleger von dem Rahmengrundkörper separat ausgebildet ist , können Rahmengrundkörper und Einleger insbesondere aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein . Dies ermöglicht es , für die j eweiligen Funktionen des Rahmengrundkörpers bzw . Einlegers individuell vorteilhafte Materialien zu wählen und in einem Flussrahmen zu kombinieren . Beispielsweise ist es denkbar, dass der Rahmengrundkörper aus einem vergleichsweise weichen Material gefertigt ist , um eine gute Abdichtwirkung zu benachbarten Bauteilen (bspw . zu Membran, Bipolarplatte oder weiteren Flussrahmen bei Verwendung in einem Zellstack) zu erzielen, während der Einleger aus einem vergleichsweise harten Material hergestellt ist , um eine hinreichende mechanische Formstabilität der Kanalstrukturen bereitzustellen, welche für einen zuverlässigen Elektrolytdurchfluss erforderlich ist .
Ein aus Rahmengrundkörper und Einleger modular aufgebauter Flussrahmen ist zudem auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar . Dadurch, dass in dem Rahmengrundkörper keine Fluidverteilerstrukturen integriert werden müssen, kann der Rahmengrundkörper aus vergleichsweise einfach ausgestalteten und somit kostengünstig herstellbaren Profilelementen hergestellt sein . Zu diesem Zweck ist es insbesondere vorteilhaft , wenn das Querschnittsprofil des Rahmengrundkörpers extrudierbar ausgebildet ist , also derart ausgebildet ist , dass das Querschnittsprofil mittels Extrusionsverfahren herstellbar ist .
Vorzugsweise ist das Querschnittsprofil im Wesentlichen U- förmig ausgebildet . Dann umfasst das Querschnittsprofil insbesondere zwei lange Schenkel und einen kurzen Schenkel . Dabei können die langen Schenkel gleich oder unterschiedlich lang ausgebildet sein . U- förmig schließt im Sinne der Erfindung nicht aus , dass der Rahmengrundkörper im Querschnitt gesehen an seiner Außenseite lokale Ausnehmungen und/oder Vorsprünge aufweist .
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Rahmengrundkörper eine Mehrzahl von extrudierten Profilteilen umfassen . Dies ermöglicht es , auf einfache und kostenef fi ziente Weise , Rahmengrundkörper unterschiedlicher Größe und Geometrie herzustellen und somit Redox-Flow- Zellen mit unterschiedlicher aktiver Wirkfläche und damit Leistung zu realisieren . Lediglich der Einleger mit den Elektrolyt-Verteilstrukturen muss entsprechend variiert und angepasst werden . Die Profilteile weisen insbesondere ein einseitig of fenes Querschnittsprofil auf , sodass j eweils ein Prof ilteilaufnahmeraum gebildet ist . Die Prof ilteilaufnahmeräume der Profilteile stellen dann den Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers bereit . Vorzugsweise weisen die extrudierten Profilteile bereits das gewünschte Querschnittsprofil des Rahmengrundkörpers auf , beispielsweise ein im Wesentlichen U- förmiges Querschnittsprofil . Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Profilteile aus mehreren extrudierten Profilsegmenten anderer Geometrie , z . B . L-Profilen, zusammengesetzt sind .
Insbesondere weisen zumindest eine Teilmenge , vorzugsweise aber alle Profilteile des Rahmengrundkörpers das gleiche Querschnittsprofil auf . Insofern sind die einzelnen Profilteile vorzugsweise in ihrer Grundform identisch ausgebildet und nur in ihrer Länge unterschiedlich . Bei einer solchen Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, die Profilteile mittels derselben Extrusionsmatri ze herzustellen, bspw . durch Ablängen eines entsprechenden Endlosprofilstrangs .
Der Rahmengrundkörper kann aus einer Mehrzahl von Profilteilen zusammengesetzt sein . Vorzugsweise sind die Profilteile an ihren Enden miteinander zu dem Rahmengrundkörper verbunden . Die Prof ilteilaufnahmeräume der Profilteile bilden dann gemeinsam einen die Rahmenöf fnung vollständig umlaufenden Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers . Zum Beispiel kann ein Rahmengrundkörper mit rechteckiger Grundform aus zwei kurzen Profilteilen und zwei langen Profilteilen zusammengesetzt sein .
Es ist auch möglich, dass die Profilteile über Verbindungsteile miteinander verbunden sind . Insbesondere kann der Rahmengrundkörper zwei Profilteile und zwei die Profilteile miteinander verbindende Verbindungsteile umfassen . Die Verbindungsteile sind dann insbesondere derart ausgebildet und zwischen den Profilteilen angeordnet , dass sie mit einem j eweiligen Endabschnitt in die Profilaufnahmeteilräume der Profilteile , insbesondere formschlüssig, eingrei fen . Die Verbindungsteile bilden insofern gemeinsam mit den Profilteilen den Rahmengrundkörper . Die Verbindungsteile sind insbesondere nicht vollständig in den Prof ilteilaufnahmeräumen aufgenommen, sondern bilden mit einem Mittelabschnitt selbst einen Teil der die Rahmenöf fnung unmittelbar begrenzenden Struktur . Die Verbindungsteile und die Profilteile sind insbesondere insofern separat ausgebildet , als dass die Profilteile und die Verbindungsteile zum Zusammenbau des Flussrahmens als separate Elemente bereitgestellt werden und miteinander zusammengefügt werden . Für eine sichere Verbindung kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die Verbindungsteile an ihren Endabschnitten Verbindungskonturen, bspw . in Form von Verbindungs zapfen, aufweisen . Dann können die Profilelemente entsprechende Gegenverbindungskonturen, bspw . in Form von entsprechenden Aussparungen, aufweisen, in welche die Verbindungskonturen in der zusammengesetzten Konfiguration eingrei fen . Die Verbindungsteile können bspw . mittels Extrusionsprozessen oder Spritzgussverfahren hergestellt sein . Bei einer Ausgestaltung mit Verbindungsteilen umfasst der Einleger insbesondere mehrere separate Einlegerteile , wobei in j edem Prof ilteilaufnahmeraum der beiden Profilteile j eweils ein Einlegerteil angeordnet ist .
Vorzugsweise sind die Profilteile miteinander fluiddicht verbunden . Zu diesem Zweck kann es bei einer Ausgestaltung des Rahmengrundkörpers ohne Verbindungsteile vorteilhaft sein, wenn die Profilteile an ihren Enden auf Gehrung abgelängt und stof f schlüssig miteinander verbunden sind, bspw . mittels Verkleben und/oder Verschweißen . Bei einer Ausgestaltung des Rahmengrundkörpers mit Verbindungsteilen können die Profilteile über die Verbindungsteile miteinander fluiddicht verbunden sein . Vorzugsweise sind die Verbindungsteile mit den Profilteilen stof f schlüssig verbunden, bspw . durch Verschweißen und/oder Verkleben . Dadurch, dass die Verbindungsteile in die Profilaufnahmeräume der Profilteile eingrei fen, wird eine vergleichsweise große Verbindungs fläche bereitgestellt , was eine zuverlässige Abdichtung begünstigt .
Die Kanalstrukturen des Einlegers können im Inneren des Einlegers verlaufen . Insofern können die Kanalstrukturen innenliegend, also von Einlegermaterial umschlossen, ausgebildet sein . Bevorzugt ist j edoch, wenn die Kanalstrukturen des Einlegers durch Ausnehmungen an der Außenseite des Einlegers gebildet sind . Insofern sind die Kanalstrukturen vorzugsweise außenliegend an einer Oberfläche des Einlegers ausgebildet . Solche außenliegenden Kanalstrukturen sind vergleichsweise einfach herstellbar, bspw . durch abtragende Bearbeitung der Außenseite des Einlegers oder durch Prägeverfahren . Bei einer solchen Ausgestaltung sind die Kanalstrukturen dann einseitig of fen . Insbesondere sind die außenliegenden Kanalstrukturen dann bei bestimmungsgemäß em Einbau des Einlegers im Rahmengrundkörper von einer Innenwandung des Rahmengrundkörpers verschlossen, sodass in Zusammenwirkung mit dem Rahmengrundkörper geschlossene Fluidkanäle gebildet sind .
In diesem Zusammenhang kann es ferner vorteilhaft sein, wenn der Einleger an seiner Außenfläche Dichtungskonturen zur Abdichtung gegen den Rahmengrundkörper aufweist . Vorzugsweise sind Dichtungskonturen zur Abdichtung der, insbesondere außenliegenden, Kanalstrukturen des Einlegers vorgesehen . Zu diesem Zweck können die Dichtungskonturen insbesondere derart angeordnet sein, dass sie zwischen sich eine Kanalstruktur einschließen, insbesondere einem Verlauf der Kanalstruktur folgen . Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Dichtungskonturen kann insbesondere darin bestehen, dass der Einleger an seiner Außenseite wenigstens einen, insbesondere umlaufenden, Vorsprung aufweist . Bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Einlegers in dem Profilaufnahmeraum kann sich dann der wenigstens eine Vorsprung des Einlegers in den, vorzugsweise weicheren, Rahmengrundkörper eingraben und auf diese Weise eine Dichtwirkung bereitstellen . Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Rahmengrundkörper entsprechende Gegendichtungskonturen aufweist . Beispielsweise kann der Rahmengrundkörper an seiner dem Profilaufnahmeraum zugewandten Innenwandung wenigstens eine entsprechende , insbesondere umlaufende , Nut aufweisen, in welche der wenigstens eine Vorsprung des Einlegers bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Einlegers in dem Profilaufnahmeraum eingrei ft . Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Einleger die wenigstens eine Nut aufweist und der Rahmengrundkörper den wenigstens einen Vorsprung .
Um eine gute Dichtwirkung zwischen Einleger und Rahmengrundkörper sowie zwischen benachbarten Rahmengrundkörpern, bspw . bei einer Verwendung des Flussrahmens in einem Zellstack, zu erzielen, kann es ferner vorteilhaft sein, wenn der Rahmengrundkörper aus einem chemisch gegen den Elektrolyten beständigen Elastomer hergestellt ist , insbesondere daraus besteht . Bei einer Ausgestaltung des Rahmengrundkörpers aus Profilteilen ist es insbesondere bevorzugt , wenn die Profilteile aus einem chemisch gegen den Elektrolyten beständigen und zugleich extrudierbaren Elastomer hergestellt sind . Vorzugsweise ist der Rahmengrundkörper bzw . sind die Profilteile aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellt , insbesondere aus thermoplastischem Polyethylen ( TPE ) , thermoplastischem Polystyrol ( TPS ) , thermoplastischem Polyurethan ( TPU) , aus einem thermoplastischen Vulkanisat ( TPV) oder Kombinationen dieser Materialien .
Besonders vorteilhaft ist es , wenn das Elastomer, aus welchem der Rahmengrundkörper bzw . die Profilteile hergestellt sind, eine Shorehärte im Bereich von 40 bis 90 Shore A, vorzugsweise im Bereich 50 bis 80 Shore A, aufweist . Ein solches Elastomer ist weich genug, um eine gute Abdichtung zwischen dem Rahmengrundkörper und benachbarten Bauteilen ( z . B . Einleger, Bipolarplatte , Membran, etc . ) zu erzielen, aber trotzdem hinreichend mechanisch belastbar, bspw . um bei einem späteren Verpressen des Rahmengrundkörpers in einem Zellstack eine ausreichende Formstabilität bereitzustellen .
Der Einleger ist insbesondere aus einem anderen Material als der Rahmengrundkörper hergestellt . Vorzugsweise ist der Einleger aus einem im Vergleich zu dem Rahmengrundkörper- Material härteren und/oder stei feren Kunststof f hergestellt . Durch die Kombination aus weicherem Rahmengrundkörper-Material und härterem Einleger-Material kann zum einen eine gute Abdichtung zwischen beiden Bauteilen erzielt werden, bspw . über vorstehend beschriebene Dichtungskonturen . Zudem anderen kann durch die Ausbildung des Einlegers aus einem vergleichsweise harten Material sichergestellt werden, dass ein Querschnitt der Kanalstrukturen des Einlegers bei einem Verpressen des Flussrahmens in einem Zellstack nicht bzw . nur sehr geringfügig verändert wird . Hierdurch kann ein zuverlässiger Fluiddurchfluss gewährleistet werden . Vorzugsweise ist der Einleger aus einem thermoplastischen Kunststof f hergestellt , insbesondere aus Polypropylen ( PP ) , Polyethylen ( PE ) und/oder Polyvinylchlorid ( PVC ) . Die Einleger können auf einfache Weise mechanisch bspw . durch Fräsen oder bei größeren Stückzahlen durch einen kostengünstigen Spritzgussprozess hergestellt werden .
Der Einleger kann einteilig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Einlegerahmens . Dies ermöglicht ein einfaches Handling des Einlegers beim Zusammenbau des Flussrahmens .
Der Einleger kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein . Insbesondere kann der Einleger wenigstens zwei , vorzugsweise zwei oder vier, separat ausgebildete Einlegerteile umfassen . Die Einlegeteile können dann auf einfache Weise separat in den Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers bzw . in die Prof ilteilaufnahmeräume der Profilteile eingelegt werden . Eine mehrteilige Ausgestaltung des Einlegers ermöglicht es , eine Elektrolytverteilung in dem Wirkraum auf einfache Weise an verschiedene Anforderungen ( z . B . in Abhängigkeit des eingesetzten Elektrolyten oder in Abhängigkeit einer Größe und Geometrie des Rahmengrundkörpers , etc . ) flexibel anzupassen . Beispielsweise kann durch spezi fische Anordnung und Ausgestaltung der Einlegerteile ein Strömungsprofil der Elektrolyt flüssigkeit in dem Wirkraum individuell eingestellt werden . Insbesondere ist es denkbar, dass ein Set an Standard-Einlegerteilen bereitgestellt wird, welche dann j e nach Anforderung flexibel kombiniert werden können . Ein solcher modularer Aufbau aus Standardbauteilen ist besonders kostenef fi zient . Grundsätzlich ist es beispielsweise denkbar, dass an unterschiedlichen Positionen um die Rahmenöf fnung Einlegerteile mit unterschiedlichen Kanalstrukturen vorgesehen sind . Es ist auch denkbar, dass nur eine Teilmenge der Einlegerteile überhaupt Kanalstrukturen aufweist . Die Einlegerteile können insbesondere unterschiedliche Geometrien aufweisen, beispielsweise rechteckige , L- förmige , oder Trapez förmige Grundformen aufweisen . Es ist auch möglich, dass die Einlegerteile unterschiedlich geformte Kanalstrukturen aufweisen .
Bei einer Ausgestaltung des Rahmengrundkörpers mit rechteckiger Grundform kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn, vorzugsweise nur, diej enigen Einlegerteile , welche an den Längsseiten des Rahmengrundkörpers angeordnet sind, Kanalstrukturen zur Verteilung des Fluids in der Rahmenöf fnung aufweisen . Der Elektrolyt muss dann nur einen vergleichsweise kurzen Strömungsweg durch eine in der Rahmenöf fnung angeordnete Elektrode zurücklegen (nämlich längs der kurzen Seiten des Flussrahmens ) , sodass der Druckabfall beim Durchströmen der Elektrode gering ist .
Vorzugsweise sind die Einlegerteile bei bestimmungsgemäßer Anordnung im Rahmengrundkörper fluiddicht miteinander verbunden . Zu diesem Zweck können die Einlegerteile insbesondere stof f schlüssig und/oder formschlüssig, beispielsweise über Nut-und- Feder-Verbindungen, miteinander zu einem Einlegerahmen verbunden sein .
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung des Flussrahmens kann der Flussrahmen einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Bipolarplatte (Bipolarplatten- Aufnahmebereich) aufweisen und/oder einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Membran (Membran-Aufnahmebereich) aufweisen . Bei einer Verwendung des Flussrahmens in einer Zelle bzw . einem Zellstack können dann in dem j eweiligen Aufnahmebereich eine Membran bzw . eine Bipolarplatte angeordnet sein . Die Aufnahmebereiche ermöglichen dabei eine einfache Positionierung von Bipolarplatte bzw . Membran und begünstigen zugleich eine sichere , positionsgenaue Halterung der Membran bzw . Bipolarplatte . Insbesondere sind ein Bipolarplatten-Aufnahmebereich und ein Membran- Aufnahmebereich an gegenüberliegenden Außenseiten des Flussrahmens ausgebildet .
Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass der j eweilige Aufnahmebereich durch eine Ausnehmung an einer Außenseite des Rahmengrundkörpers gebildet ist . Insbesondere kann der Rahmengrundkörper zumindest an einer derj enigen Außenseiten, welche parallel zu einer von der Rahmenöf fnung auf gespannten Rahmenebene orientiert sind, eine an die Rahmenöf fnung angrenzende und diese umlaufende Ausnehmung aufweisen . Vorzugsweise ist die Ausnehmung im Querschnitt entlang der Umlauf richtung betrachtet stufenförmig ausgebildet . Insofern weist der Rahmengrundkörper insbesondere eine sich orthogonal zu der Rahmenebene erstreckende und die Rahmenöf fnung umlaufende Kante auf , welche einen Anschlag für die Bipolarplatte oder die Membran bildet . Eine den Bipolarplatten-Aufnahmebereich bildende Ausnehmung und eine den Membran-Aufnahmebereich bildende Ausnehmung sind insbesondere an gegenüberliegenden Außenseiten des Rahmengrundkörpers angeordnet .
I st der Rahmengrundkörper aus mehreren Profilteilen zusammengesetzt , können insofern die Profilteile zumindest an einer derj enigen Außenseiten, welche orthogonal zu der of fenen Seite orientiert sind, insbesondere an beiden gegenüberliegenden Außenseiten, eine stufenförmige Ausnehmung aufweisen, welche sich entlang der gesamten Längserstreckung der Profilteile erstreckt . Ein solches Profilteil ist dann insofern extrudierbar ausgebildet .
Zur Abdichtung einer in dem Bipolarplatten-Aufnahmebereich angeordneten Bipolarplatte bzw . zur Abdichtung einer in dem und Membran-Aufnahmebereich angeordneten Membran kann es ferner vorteilhaft sein, wenn der Rahmengrundkörper umlaufende Dichtungslippen zur fluiddichten Abdichtung einer auf liegenden Bipolarplatte und/oder Membran aufweist . Zur Abdichtung von nebeneinander angeordneten Flussrahmen, z . B . bei Verwendung in einem Zellstack, kann es ferner vorteilhaft sein, wenn der Rahmengrundkörper an einer derj enigen Außenseiten, welche parallel zu einer von der Rahmenöf fnung auf gespannten Rahmenebene orientiert sind, eine die Rahmenöf fnung umlaufende Nut aufweist und an der gegenüberliegenden Außenseite einen korrespondierenden, die Rahmenöf fnung umlaufenden Vorsprung aufweist . Der Rahmenkörper ist insofern insbesondere derart ausgebildet , dass nebeneinander angeordnete Flussrahmen nach Art von Nut und Feder, insbesondere fluiddicht , miteinander verbindbar sind .
I st der Rahmengrundkörper aus mehreren Profilteilen zusammengesetzt , können insofern die einzelnen Profilteile an einer derj enigen Außenseiten, welche orthogonal zu der of fenen Seite orientiert sind, eine sich entlang ihrer Längserstreckung, insbesondere von ihrem j eweiligen ersten Ende bis zu dem zweiten Ende , erstreckende Nut aufweisen und an ihrer gegenüberliegenden Außenseite einen entsprechenden Vorsprung aufweisen . Ein solches Profilteil ist insofern extrudierbar ausgebildet .
Zur Lösung des eingangs genannten Problems wird ferner eine Flussrahmen-Elektroden-Einheit vorgeschlagen, welche insbesondere einen vorstehend beschriebenen Flussrahmen und eine Elektrode umfasst . Vorzugsweise ist die Elektrode innerhalb der Rahmenöf fnung angeordnet , also insbesondere von dem Flussrahmen umgrenzt . Insbesondere ist die Elektrode derart ausgebildet und angeordnet , dass sie die Rahmenöf fnung vollständig aus füllt . Bei der Elektrode kann es sich insbesondere um eine Fil z-Elektrode handeln, vorzugsweise aus einem Kohlenstof fmaterial , bspw . aus einem Graphitfil z .
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Elektrode insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sich die Elektrode bündig an die der Rahmenöf fnung zugewandten Innenkanten des Rahmengrundkörpers anschließt . Bei einer solchen Ausgestaltung ist der Profilaufnahmeraum insofern an seiner of fenen Seite von der Elektrode verschlossen . Eine über die Kanalstrukturen des Einlegers in Richtung der Rahmenöf fnung strömende Elektrolyt flüssigkeit kann dann unmittelbar von der Elektrode aufgenommen und in dieser reduziert bzw . oxidiert werden .
Im Rahmen einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung kann die Elektrode auch derart ausgebildet und angeordnet sein, dass die Elektrode abschnittsweise in den Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers eindringt . Eine Eindringtiefe beträgt dabei vorzugsweise 1 bis 5 mm . Hierdurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass eine aus den Kanalstrukturen des Einlegers ausströmende Elektrolyt flüssigkeit zuerst auf die Elektrode tri f ft , sodass dort eventuell vorhandene elektrische Potentialunterschiede zwischen Elektrolyt und Zelle abgebaut werden können . Zu diesem Zweck kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die Elektrode formschlüssig in dem Profilaufnahmeraum auf genommen ist . Ferner wird eine Zelle für eine Redox-Flow-Batterie vorgeschlagen, welche eine erste und eine zweite vorstehend erläuterte Flussrahmen-Elektroden-Einheit umfasst . Die Zelle umfasst außerdem eine Membran, welche zwischen der ersten und der zweiten Flussrahmen-Elektroden-Einheit angeordnet ist . Die Flussrahmen-Elektroden-Einheiten bilden insbesondere j eweils eine Halbzelle der Zelle . Die Membran ermöglicht einen lonenaustausch zwischen den Halbzellen . Zu diesem Zweck ist die Membran ionenleitend ausgebildet , insbesondere aus einem ionenleitenden Material hergestellt . Die Membran ist vorzugsweise in einem vorstehend beschriebenen Membran-Aufnahmebereich des Flussrahmens auf genommen .
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung einer solchen Zelle können die beiden Flussrahmen identisch ausgebildet sein . Dann kann der Flussrahmen der zweiten Flussrahmen- Elektroden-Einheit insbesondere relativ zu dem Flussrahmen der ersten Flussrahmen-Elektroden-Einheit um 180 ° um eine seiner Außenkanten geklappt sein . Bei einer solchen Ausgestaltung ist insofern nur ein Flussrahmentyp für den Aufbau einer Zelle erforderlich, was eine besonders kostenef fi ziente Herstellung der Zelle ermöglicht .
Für einen Einsatz in einer Redox-Flow-Batterie kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Zellen zu einem Zellstack gestapelt sind . Es wird insofern zur Lösung der Aufgabe auch ein Zellstack vorgeschlagen, welcher eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Zellen umfasst . Die Zellen sind insbesondere entlang einer zu der von dem Flussrahmen auf gespannten Rahmenebene orthogonalen Stapelrichtung aufeinandergestapelt . Dabei ist zwischen benachbarten Zellen j eweils eine Bipolarplatte angeordnet . Eine Bipolarplatte ist insofern j eweils zwei benachbarten Halbzellen zugeordnet . Vorzugsweise sind die Bipolarplatten in den vorstehend beschriebenen Bipolarplatten- Aufnahmebereichen angeordnet .
Insbesondere bedeckt eine j eweilige Bipolarplatte die Rahmenöf fnung der angrenzenden Flussrahmen vollständig . Um eine gute Abdichtung zwischen Flussrahmen und Bipolarplatte bzw . zwischen Flussrahmen und Membran zu erzielen, kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Bipolarplatten und/oder die Membranen derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie - bei Blickrichtung in Stapelrichtung - in einer Richtung orthogonal zu der Stapelrichtung mit dem j eweiligen Einleger der angrenzenden Flussrahmen- Elektroden-Einheiten teilweise überlappen . Die Bipolarplatte und/oder die Membran erstrecken sich insofern insbesondere derart radial über die Rahmenöf fnung hinaus , dass sie bei Blickrichtung in Stapelrichtung den Einleger des angrenzenden Flussrahmens abschnittsweise überdecken . Bei einem Verpressen der Bauteile im Zellstack werden dann Bipolarplatte bzw . Membran durch den Einleger abgestützt . Hierdurch kann eine homogene Kraftverteilung erzielt werden, was eine gute Abdichtung zwischen den einzelnen Bauteilen eines Zellstacks , insbesondere zwischen Bipolarplatte , Rahmengrundkörper, Einleger und Membran, begünstigt . Vorzugsweise beträgt ein Überlapp zwischen Bipolarplatte und Einleger bzw . zwischen Membran und Einleger 1 bis 40 mm, insbesondere 5 bis 15 mm .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Zellstacks kann darin bestehen, dass ein j eweiliger Flussrahmen mit dem weiteren zu der gleichen Zelle gehörenden Flussrahmen und/oder mit dem Flussrahmen einer benachbarten Zelle fluiddicht verbunden ist . Insbesondere können die Flussrahmen über vorstehend beschriebene Nut-Feder- Verbindung miteinander verbunden und gegeneinander abgedichtet sein . Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit , dass die einzelnen Flussrahmen an den umlaufenden Oberflächen, bspw . mittels Schweißen und/oder Kleben, fluiddicht zusammengefügt sind . Durch zusätzliche Dichtungslippen können die Flächenkräfte für die Verpressung der Komponenten des Zellstacks
(Rahmengrundkörper, Einleger, Membran, Bipolarplatte , etc . ) untereinander reduziert werden .
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch die Verwendung eines vorstehend beschriebenen Flussrahmens in einer Redox-Flow-Batterie , insbesondere in einer Zelle einer Redox-Flow-Batterie , gelöst . Wie bereits erläutert , ermöglicht es der modulare Aufbau des Flussrahmens , Redox- Flow-Batterien mit unterschiedlicher aktiver Wirkfläche und damit Leistung auf einfache und kostengünstige Weise zu realisieren . Im Übrigen wird auf die vorstehend im Zusammenhang mit dem Flussrahmen erläuterten Merkmale und Vorteile verwiesen . Zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Flussrahmens wird insbesondere ein Verfahren vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst . Dabei können die vorstehend im Zusammenhang mit dem Flussrahmen als solchen erläuterten Merkmale und Vorteile zur Ausgestaltung des Verfahrens dienen .
Gemäß dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Profilteilen bereitgestellt . Hierzu wird insbesondere ein Profilstrang extrudiert , welcher ein einseitig of fenes , vorzugsweise im Wesentlichen U- förmiges , Querschnittsprofil aufweist , sodass ein einseitig of fener Prof ilteilaufnahmeraum gebildet ist . Der Profilstrang wird dann zur Bildung der Profilteile entsprechend einer gewünschten Größe des späteren Flussrahmens abgelängt .
Optional können in zumindest einer Teilmenge der Profilteile Fluidkanalstrukturen erzeugt werden . Zu diesem Zweck können insbesondere örtlich definierte Aussparungen in den entsprechenden Profilteilen erzeugt werden, vorzugsweise durch Bohren oder Ausstanzen .
Für die weitere Montage kann es vorteilhaft sein, wenn die Profilteile in eine Montagevorrichtung eingelegt werden .
Die Montagevorrichtung ist insbesondere derart ausgebildet , dass sie einen reckteckförmigen Aufnahmeraum definiert , dessen Innenumfang im Wesentlichen einer Außenabmessung des späteren Rahmengrundkörpers entspricht . In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Profilteile an Verbindungsabschnitten fluiddicht , insbesondere Stof f schlüssig, zu dem Rahmengrundkörper verbunden . Zu diesem Zweck können nach dem Ablängen an den j eweiligen Enden, insbesondere an den Stirnseiten, der Profilteile Verbindungskonturen erzeugt werden, bspw . durch Ausschneiden oder Ausstanzen . Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Profilteile zunächst an den j eweiligen Stirnseiten auf Gehrung abgelängt und im Anschluss an ihren Stirnseiten durch Verschweißen und/oder Kleben miteinander verbunden werden . Die Profilteile können auch über vorstehend beschriebene Verbindungsteile miteinander verbunden werden . Dann werden zunächst die Profilteile und die Verbindungsteile mechanisch zusammengefügt und im Anschluss miteinander stof f schlüssig verbunden .
Gemäß dem Verfahren wird ferner ein Einleger bzw . eine Mehrzahl von Einlegerteilen bereitgestellt und in die Profilaufnahmeräume der Profilteile eingelegt .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können der Einleger bzw . die Einlegerteile vor dem Verbinden der Profilteile zu dem Rahmengrundkörper in die Prof ilteilaufnahmeräume der einzelnen Profilteile eingelegt werden . Es ist aber auch möglich, dass der Einleger bzw . die Einlegeteile erst nach Verbinden der Profilteile zu dem Rahmengrundkörper in den Profilaufnahmeraum des Rahmengrundkörpers eingelegt werden . In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt können der Einleger bzw. die Einlegeteile mit den Prof ilteilen, insbesondere stoff schlüssig, verbunden werden, vorzugsweise im Zuge des Verbindens der Profilteile zu dem Rahmengrundkörper .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 skizzierte Darstellung einer Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Draufsicht;
Figur 2 skizzierte Darstellung des Flussrahmens gemäß Figur 1 in einer Schnittansicht entlang der in Figur 1 eingezeichneten Schnittebene II-II;
Figuren 3a-e skizzierte Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines Rahmengrundkörpers in einer Schnittansicht entsprechend der in Figur 1 eingezeichneten Schnittebene II-II;
Figuren 4a-c skizzierte Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen eines Einlegerteils in einer Draufsicht ;
Figur 5 skizzierte Darstellung einer weiteren
Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Schnittansicht entsprechend der in Figur 1 eingezeichneten Schnittebene II-II;
Figur 6 skizzierte Darstellung eines Ausschnitts einer Redox-Flow-Zelle in einer Schnittansicht entlang einer der in Figur 1 eingezeichneten Schnittebene II-II entsprechenden Schnittebene;
Figuren 7a-b skizzierte Darstellungen zweier Ausgestaltungen einer Halbzelle;
Figur 8 skizzierte Darstellung einer weiteren
Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Draufsicht ;
Figur 9 skizzierte Darstellung des Flussrahmens gemäß Figur 8 in einer Schnittansicht entlang der in Figur 8 eingezeichneten Schnittebene IX-IX; und
Figur 10 skizzierte Darstellung einer weiteren
Ausgestaltung des Flussrahmens in einer der Figur 9 entsprechenden Ansicht.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Figur 1 zeigt eine Ausgestaltung eines Flussrahmens, welcher insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Flussrahmen 10 ist insbesondere zur Verwendung in einer nachfolgend noch im Detail beschriebenen und in Figur 6 abschnittsweise dargestellten Redox-Flow-Zelle 12 ausgebildet .
Der Flussrahmen 10 ist modular aufgebaut und umfasst einen Rahmengrundkörper 14 und einen in dem Rahmengrundkörper 14 angeordneten Einleger 16 (in Figur 1 mit Strichlinien eingezeichnet) .
Wie aus Figur 1 ersichtlich, umgrenzt der Rahmengrundkörper 14 eine zentrale Rahmenöffnung 18, welche den eigentlichen Wirkraum der Zelle 12 definiert (nachfolgend noch näher erläutert) . Der Rahmengrundkörper 14 ist aus einer Mehrzahl, im dargestellten Beispiel vier, Profilteilen 15-
1, 15-2, 15-3, 15-4 zusammengesetzt. Die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 sind beispielhaft und bevorzugt mittels Extrusionsverfahren hergestellt (s.u.) . In dem dargestellten Beispiel weisen Rahmengrundkörper 14 und Rahmenöffnung 18 jeweils eine rechteckige Grundform auf. Insofern sind zwei lange Profilteile 15-2, 15-4 und zwei kurze Profilteile 15-1, 15-3 vorgesehen. Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen sind jedoch auch andere Vieleck-Geometrien denkbar.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind die Profilteile 15-1, 15-
2, 15-3, 15-4 beispielhaft an ihren jeweiligen Enden 20 auf Gehrung abgelängt und zu dem Rahmengrundkörper 14 verbunden. Beispielhaft und bevorzugt sind die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 fluiddicht miteinander verbunden, beispielsweise mittels Kleben und/oder Verschweißen.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, weisen die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 und somit der aus diesen zusammengesetzte Rahmengrundkörper 14 in Umfangsrichtung um die Rahmenöffnung 18 betrachtet ein einseitig, in Richtung der Rahmenöffnung 18 offenes Querschnittsprofil auf. In dem dargestellten Beispiel ist das Querschnittsprofil im Wesentlichen U-förmig ausgebildet mit einem kurzen Schenkel 22 und zwei langen Schenkeln 24-1, 24-2.
Wie aus den Figuren 2 und 3a bis 3e ersichtlich, begrenzen die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 jeweils einen innenliegenden Prof ilteilaufnahmeraum 26', welcher einseitig durch eine Profilöffnung 28 offen ist. Sind die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 zu dem Rahmengrundkörper 14 zusammengesetzt, ist insofern ein die Rahmenöffnung 18 umlaufender und in Richtung der Rahmenöffnung 18 offener Profilaufnahmeraum 26 gebildet.
Die Figuren 3a bis 3e zeigen weitere beispielhafte Querschnittsprofile, welche der Rahmengrundkörper 14 aufweisen kann. So kann der Rahmengrundkörper 14 beispielsweise spiegelsymmetrisch zu einer von der Rahmenöffnung 18 auf gespannten Rahmenebene ausgebildet sein (vgl. Figur 3a und 3b) . Es ist auch möglich, dass der Rahmengrundkörper 14 an seinen orthogonal zu der Rahmenebene orientierten Außenseiten 30, 32 Ausnehmungen 70 ' , 72 ' , 82 oder Vorsprünge 78 , 84 aufweist (vgl . Figuren 3b bis 3e , nachfolgend noch im Detail beschrieben) . Wie in Figur 3c dargestellt , kann der Prof ilteilaufnahmeraum 26 ' zudem eine innenliegende Stufe 34 aufweisen .
Der Rahmengrundkörper 14 ist beispielhaft und bevorzugt aus einem thermoplastischen Elastomer mit einer Shore-Härte von 50 bis 80 Shore A hergestellt .
Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist der vorstehend erwähnte Einleger 16 in dem Profilaufnahmeraum 26 des Rahmengrundkörpers 14 angeordnet . Der Einleger 16 ist von dem Rahmengrundkörper 14 separat ausgebildet und wird zum Zusammenbau des Flussrahmens 10 in den Profilaufnahmeraum 26 eingelegt (nachfolgend in Bezug auf das Herstellungsverfahren noch näher erläutert ) .
Beispielhaft und bevorzugt ist der Einleger 16 aus einem stei feren Material als der Rahmengrundkörper 14 hergestellt , insbesondere aus Polypropylen ( PP ) , Polyethylen ( PE ) und/oder Polyvinylchlorid ( PVC ) .
Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist der Einleger 16 beispielhaft derart ausgebildet , dass er die Rahmenöf fnung 18 vollständig umläuft . In dem dargestellten Beispiel ist der Einleger 16 zudem derart bemessen, dass er nicht aus dem Profilaufnahmeraum 26 herausragt und formschlüssig in dem Profilaufnahmeraum 26 auf genommen ist (vgl . Figur 2 ) . Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst der Einleger 16 nachfolgend noch näher erläuterte Kanalstrukturen 36, welche dazu ausgebildet sind, Elektrolyt flüssigkeit in der Rahmenöffnung 18 zu verteilen. Der Einleger 16 kann derart ausgebildet sein, dass entlang seines gesamten Umfangs Kanalstrukturen 36 vorgesehen sind. Beispielhaft und bevorzugt sind die Kanalstrukturen 36 jedoch nur an den Längsseiten 38-1, 38-2 des Flussrahmens 10 angeordnet.
Der Einleger 16 kann einteilig ausgebildet sein, beispielsweise in der Gestalt eines Einlegerahmens (in Figur 1 beispielhaft dargestellt) . Bei einer alternativen Ausgestaltung kann der Einleger 16 auch aus einer Mehrzahl von separat bereitgestellten Einlegerteilen 16' gebildet sein. Diese können voneinander separat in den Profilaufnahmeraum 26 eingelegt sein und optional miteinander fluiddicht, insbesondere stoff schlüssig, verbunden sein.
Die Einlegerteile 16' können grundsätzlich verschieden ausgestaltet sein. Eine Auswahl an beispielhaften Ausgestaltungen der Einlegerteile 16' ist in den Figuren 4a bis 4c dargestellt. Beispielsweise können die Einlegeteile 16' eine trapezförmige (vgl. Figur 4a) oder rechteckförmige (vgl. Figur 4b) oder L-förmige (vgl. Figur 4c) Grundform aufweisen. Je nach Anforderung, können unterschiedliche Einlegerteile 16' verwendet und miteinander kombiniert sein . Die in den Figuren 4a bis 4c dargestellten Einlegerteile 16' umfassen jeweils vorstehend erwähnte Kanalstrukturen 36. Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen können Einlegerteile 16' aber auch frei von Kanalstrukturen 36 ausgebildet sein. In dem dargestellten Beispiel umfassen die Kanalstrukturen 36 einen Fluidanschluss 40, eine - im dargestellten Beispiel mäanderf örmige - Fluidführung 42, sowie kammförmige Verteilerstrukturen 44, welche bei bestimmungsgemäß em Einbau der Einlegerteile 16' in die Rahmenöffnung 18 münden. Diese, in den Figuren nur für die Einlegerteile 16' beispielhaft dargestellte Ausgestaltung der Kanalstrukturen 36, 40, 42, 44 kann auch in entsprechender Weise bei einer einteiligen Ausführung des Einlegers 16 vorgesehen sein.
Die Kanalstrukturen 36, 40, 42, 44 sind beispielhaft und bevorzugt durch entsprechende Ausnehmungen 46 an einer Außenseite 48 des Einlegers 16 bzw. der Einlegerteile 16' gebildet (vgl. Figur 2) . Bei bestimmungsgemäß em Einbau des Einlegers 16 bzw. der Einlegerteile 16' in dem Profilaufnahmeraum 26 sind die Kanalstrukturen 36, 40, 42, 44 dann von einer Innenwandung 50 des Rahmengrundkörpers 14 verschlossen (vgl. Figur 2) . Zur Speisung der Kanalstrukturen 36 mit Elektrolyt flüssigkeit weist der Rahmengrundkörper 14 in dem in Figur 1 dargestellten Beispiel entsprechende Bohrungen 52 auf, welche im zusammengebauten Zustand des Flussrahmens 10 mit den Fluidanschlüssen 40 des Einlegers 16 bzw. der Einlegerteile 16 ' fluchten . Wie in Figur 5 beispielhaft dargestellt, kann der Einleger 16 bzw. die Einlegerteile 16' - zur Abdichtung der Kanalstrukturen 36 und/oder von nachfolgend noch näher erläuterten Fluiddurchführungen 52 gegenüber dem Rahmengrundkörper 14 - an seiner Außenseite 48 optionale Vorsprünge 54-1, 54-2 derart aufweisen, dass eine abzudichtende Kanalstruktur 36 zwischen den Vorsprüngen 54-
1, 54-2 eingeschlossen ist. Bei bestimmungsgemäß em Einbau des Einlegers 16 bzw. der Einlegerteile 16' in dem Profilaufnahmeraum 26 können sich dann die Vorsprünge 54-1, 54-2 des Einlegers 16 in die Innenwandung 50 des weicheren Rahmengrundkörpers 14 eingraben und somit eine Dichtwirkung bereitstellen . Es ist auch möglich, dass der Rahmengrundkörper 14 an der dem Profilaufnahmeraum 26 zugewandten Innenwandung 50 des Rahmengrundkörpers 14 korrespondierende Nuten 56-1, 56-2 aufweist, in welche die Vorsprünge 54-1, 54-2 eingreifen.
Wie bereits erwähnt, dient ein vorstehend beschriebener Flussrahmen 10 insbesondere zur Verwendung in einer Redox- Flow-Zelle 12. Ein Ausschnitt einer möglichen Ausgestaltung einer solchen Zelle 12 ist in Figur 6 skizziert dargestellt. Dabei zeigt die Figur 6 die Zelle 12 in einer Schnittansicht entlang einer der Schnittebene II-II in Figur 1 entsprechenden Schnittebene.
Die Zelle 12 umfasst zwei Halbzellen 58-1, 58-2, zwischen denen eine Membran 60 angeordnet ist. Jede Halbzellen 58-1, 58-2 umfasst eine Flussrahmen-Elektroden-Einheit 62-1, 62-
2, welche ihrerseits jeweils einen Flussrahmen 10 und eine in der Rahmenöf fnung 18 des Flussrahmens 10 angeordnete Elektrode 64 umfasst (nachfolgend in Bezug auf die Figuren 7a und 7b noch im Detail beschrieben) . Wie aus Figur 6 ersichtlich, sind in dem dargestellten Beispiel die Flussrahmen 10 der beiden Flussrahmen-Elektroden-Einheiten 62- 1 , 62-2 zueinander identisch ausgebildet , j edoch relativ zueinander um 180 ° um die Membranebene geklappt . Die Membran 60 ist vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet , dass die Rahmenöf fnung 18 und die darin angeordnete Elektrode 64 von der Membran 60 , insbesondere vollständig, bedeckt ist .
In einer Redox-Flow-Batterie sind vorzugsweise eine Mehrzahl solcher Zellen 12 in einer Stapelrichtung 66 zu einem Zellstack (nicht dargestellt ) aufeinandergestapelt und durch ein Verspannsystem (nicht dargestellt ) gegeneinander verpresst . In einem solchen Zellstack ist dann zwischen den einzelnen Zellen j eweils eine Bipolarplatte 68 vorgesehen, welche zwei benachbarte Zellen 12 elektrisch verbindet . In Figur 6 sind beispielhaft zwei solcher Bipolarplatten 68 dargestellt , welche j eweils an derj enigen Außenseite 30 des entsprechenden Flussrahmens 10 angeordnet sind, die der Membran 60 gegenüberliegt . Vorzugsweise bedeckt eine Bipolarplatte 68 ebenfalls die Rahmenöf fnung 18 vollständig .
Wie aus Figur 7a ersichtlich, welche eine Halbzelle 58- 1 der Zelle 12 gemäß Figur 6 in Alleinstellung zeigt , ist die Membran 60 in dem dargestellten Beispiel in einem Membran- Aufnahmebereich 70 aufgenommen, welcher an einer ersten Außenseite 32 des Rahmengrundkörpers 14 ausgebildet ist. In analoger Weise ist in dem dargestellten Beispiel auch die Bipolarplatte 68 in einem entsprechenden Bipolarplatten- Aufnahmebereich 72 angeordnet, welcher an der gegenüberliegenden Außenseite 30 des Rahmengrundkörpers 14 ausgebildet ist.
Im Konkreten sind der Membran-Aufnahmebereich 70 und der Bipolarplatten-Aufnahmebereich 72 durch eine im Querschnitt betrachtet stufenförmige Ausnehmung 70', 72' an denjenigen Außenseiten 30, 32 des Rahmengrundkörpers 14 gebildet, welche parallel zu einer von der Rahmenöffnung 18 auf gespannten Rahmenebene orientiert sind (vgl. auch Figur 2) . Die jeweilige stufenförmige Ausnehmung 70', 72' grenzt dabei an die Rahmenöffnung 18 an und umläuft diese vorzugsweise vollständig. Wie in den Figuren 7a und 2 gezeigt, ist durch die stufenförmigen Ausnehmungen 70', 72' jeweils eine Kante 74 bzw. 76 gebildet, welche sich orthogonal zu der von der Rahmenöffnung 18 auf gespannten Rahmenebene erstreckt und einen Anschlag für die Membran 60 bzw. die Bipolarplatte 68 bildet.
Beispielhaft und bevorzugt sind Einleger 16 und Membran- Aufnahmebereich 70 bzw. Bipolarplatten-Aufnahmebereich 72 derart aufeinander abgestimmt, dass eine an der jeweiligen Kante 74 bzw. 76 anliegende Membran 60 bzw. Bipolarplatte 68 bei Betrachtung in Stapelrichtung 66 mit dem Einleger 16 teilweise überlappt (vgl. Figur 7a) . Wie aus den Figuren 3a bis 3e hervorgeht , sind in Bezug auf die Aufnahmebereiche 70 , 72 grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen des Rahmengrundkörpers 14 denkbar . Dabei können die in den Figuren 3a bis 3e gezeigten Ausgestaltungen der Aufnahmebereiche 70 , 72 bzw . Ausnehmungen 70 ' , 72 ' unabhängig von den weiteren, in den betref fenden Figuren konkret gezeigten Ausgestaltungsmerkmalen des Rahmengrundkörpers 14 (bspw . relative Dicke der Schenkel 24- 1 , 24-2 oder das Vorhandensein von weiteren Konturelementen wie Vorsprüngen 78 , 84 oder Ausnehmungen 82 ) vorgesehen sein . Bei einer ersten Ausgestaltung gemäß Figur 3a sind weder Membran- Aufnahmebereich 70 noch Bipolarplatten-Aufnahmebereich 72 vorgesehen . Membran 60 bzw . Bipolarplatte 69 liegen dann insbesondere an den beiden planen Außenseiten 30 , 32 des Rahmengrundkörpers 14 an . Bei einer weiteren Ausgestaltung gemäß Figur 3b ist an beiden Außenseiten 30 , 32 eine stufenförmige Ausnehmung 70 bzw . 72 ' vorgesehen, also sowohl Membran-Aufnahmebereich 70 als auch Bipolarplatten- Aufnahmebereich 72 . Es ist auch möglich, dass nur an einer der Außenseiten 30 , 32 eine stufenförmige Ausnehmung 70 ' , 72 ' vorgesehen ist , welche dann entweder Membran- Aufnahmebereich 70 oder Bipolarplatten-Aufnahmebereich 72 bildet (vgl . Figuren 3c und 3d) . Wie in Figur 3e beispielhaft für eine Ausnehmung 72 ' dargestellt , kann innerhalb einer solchen stufenförmigen Ausnehmung 70 ' bzw . 72 ' zusätzlich ein lokaler Vorsprung 78 vorgesehen sein, welcher insbesondere als Dichtungslippe und/oder Positionshil fe dienen kann . Ein solcher Vorsprung 78 kann in dem Membran-Aufnahmebereich 70 und/oder in dem Bipolarplatten-Aufnahmebereich 72 vorgesehen sein .
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 7a und 7b zwei beispielhafte Ausgestaltungen einer Flussrahmen- Elektroden-Einheit 62 beschrieben, welche sich nur in der konkreten Ausgestaltung und Anordnung der Elektrode 64 unterscheiden . In beiden Fällen ist die Elektrode 64 beispielhaft und bevorzugt als Fil z-Elektrode ausgebildet , bspw . aus einem Graphitfil z hergestellt .
Bei der in Figur 7a dargestellten Ausgestaltung ( entspricht der in Figur 6 dargestellten Ausgestaltung) ist die Elektrode 64 derart ausgebildet und angeordnet , dass sie sich bündig an die der Rahmenöf fnung 18 zugewandten Innenkanten 80 des Rahmengrundkörpers 14 anschließt . Im Querschnitt betrachtet schließt sich die Elektrode 64 also bündig an die freien Enden 80 der beiden langen Schenkel 24- 1 , 24-2 des Rahmengrundkörpers 14 an . Insofern ist die Profilöf fnung 28 durch die Elektrode 64 verschlossen . In dem dargestellten Beispiel ist der Einleger 16 derart bemessen, dass er unmittelbar an der Elektrode 64 anliegt .
Bei der Ausgestaltung gemäß Figur 7b ist die Elektrode 64 derart ausgebildet und angeordnet , dass sie abschnittsweise in den Profilaufnahmeraum 26 des Rahmengrundkörpers 14 eindringt und dort formschlüssig auf genommen ist . Wie aus Figur 7b hervorgeht , sind Einleger 16 und Elektrode 64 auch hier derart ausgebildet , dass die Elektrode 64 unmittelbar an dem Einleger 16 anliegt . Zur Abdichtung von nebeneinander angeordneten Flussrahmen 10, z.B. bei Verwendung in einem vorstehend erwähnten Zellstack, können die Rahmengrundkörper 14 der Flussrahmen 10 nach Art von Nut und Feder miteinander fluiddicht verbunden sein. In Figur 3e ist eine beispielhafte Ausgestaltung einer solchen Nut-Feder-Verbindung im Querschnitt dargestellt. In dem dargestellten Beispiel weist der Rahmengrundkörper 14 an einer ersten Außenseite 32 eine die Rahmenöffnung 18 umlaufende Nut 82 auf und an der gegenüberliegenden Außenseite 30 einen korrespondierenden, die Rahmenöffnung umlaufenden Vorsprung 84 (Feder) auf.
Wie in Figur 8 beispielhaft dargestellt, können die Profilteile 15-2, 15-4 auch über Verbindungselemente 86-1, 86-2 miteinander verbunden sein. In dem dargestellten Beispiel ist der Flussrahmen 14 aus zwei Profilteilen 15-2, 15-4 und zwei Verbindungsteilen 86-1, 86-2 zusammengesetzt. Die Verbindungsteile 86-1, 86-2 sind zwischen den Profilteilen 15-2, 15-4 angeordnet und greifen mit einem jeweiligen Endabschnitt 88 in die Profilaufnahmeräume 26' der Profilteile 15-2, 15-4 ein (in Figur 9a beispielhaft für eine Verbindungsstelle gezeigt) . Beispielhaft und bevorzugt sind die Verbindungsteile 86-1, 86-2 mit den Profilteilen 15-2, 15-4 stoff schlüssig verbunden. Bei dem in Figur 8 dargestellten Beispiel ist in den Profilaufnahmeräumen 26' der beiden Profilteile 15-2, 15-4 jeweils ein Einlegerteil 16 '-1, 16 '-2 angeordnet, welche vorzugsweise jeweils vorstehend beschriebene Kanalstrukturen 36 aufweisen. Für die weitere Ausgestaltung der Profilteile 15-2, 15-4 sowie der Einlegerteile 16'-1, 16 '-2 wird auf die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen verwiesen .
Wie in Figur 10 beispielhaft dargestellt, können die Verbindungsteile 86-1, 86-2 zusätzlich an ihren Endabschnitten 88 Verbindungskonturen, bspw. in Form von Verbindungszapfen 90, aufweisen. Dann weisen die Profilteile 15-2, 15-4 vorzugsweise jeweils entsprechende Aussparungen 92 auf, in welche die Verbindungszapfen 90 bei bestimmungsgemäßer Anordnung formschlüssig aufgenommen sind .
Im Folgenden wird eine Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung des Flussrahmens gemäß Figur 1 beschrieben . Gemäß dem Verfahren werden zunächst die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 und der Einleger 16 bzw. die Einlegeteile 16' hergestellt.
Zur Herstellung der Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 wird zunächst ein Profilstrang, welcher das gewünschte Querschnittsprofil (vgl. Figuren 3a bis 3e) aufweist, extrudiert und entsprechend einer gewünschten Größe des späteren Rahmengrundkörpers 14 abgelängt. Zur Herstellung des in Figur 1 dargestellten Flussrahmens 10 werden beispielsweise zwei kurze Profilteile 15-1, 15-3 und zwei lange Profilteile 15-2, 15-4 erzeugt. Im Anschluss werden die jeweiligen Enden 20 der Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 Verbindungskonturen 21 erzeugt (vgl. Figur 1) . Beispielhaft und bevorzugt werden die Verbindungskonturen 21 dadurch erzeugt, dass die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 an ihren Enden 20 auf Gehrung abgelängt werden, bspw. durch Schneiden oder Stanzen. In einem optionalen weiteren Schritt werden zumindest in einer Teilmenge der Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 - zur Herstellung der in Figur 1 dargestellten Ausgestaltung, in den langen Profilteilen 15-2, 15-4 - Ausnehmungen 52 zur Elektrolyt Zuführung erzeugt, beispielhaft durch Bohren oder Ausstanzen.
Der Einleger 16 bzw. die Einlegeteile 16' werden beispielhaft durch Urformen, Umformen, Trennen oder durch Spritzgussverfahren hergestellt.
Die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 und der Einleger 16 bzw. die Einlegeteile 16' werden dann zu dem Flussrahmen 10 zusammengesetzt. Hierzu werden zunächst der Einleger 16 bzw. die Einlegeteile 16' in die Prof ilteilaufnahmeräume 26' der Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 eingelegt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden dann die Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 an ihren Enden 20 zu dem Rahmengrundkörper 14 fluiddicht verbunden, beispielhaft durch Verschweißen und/oder Kleben. Optional können dabei im gleichen Arbeitsschritt auch die Einlegeteile 16' untereinander und/oder mit den Profilteilen 15-1, 15-2, 15- 3, 15-4 stoff schlüssig verbunden werden. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens können die Einlegeteile 16' auch erst nach dem Verbinden der Profilteile 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 in den Profilaufnahmeraum 26 eingelegt werden.
Zur Herstellung des in Figur 8 dargestellten Flussrahmens
10 werden zunächst in vorstehend beschriebener Weise zwei Profilteile 15-2, 15-4 und zwei Einlegerteile 16'-1, 16'-2 hergestellt. Darüber hinaus werden die Verbindungsteile 86- 1, 86-2 hergestellt, bspw. mittels Spritzgussverfahren. Zur
Montage des Rahmengrundkörpers 14 werden dann zunächst die Einlegerteile 16 '-1, 16 '-2 in die Prof ilteilaufnahmeräume 26' der Profilteile 15-2, 15-4 eingelegt und im Anschluss die Profilteile 15-2, 15-4 mit den Verbindungsteilen 86-1, 86-2 zusammengefügt und stoff schlüssig miteinander verbunden .

Claims

Patentansprüche Modularer Flussrahmen (10) für eine elektrochemische Zelle (12) , insbesondere für eine Zelle (12) einer Redox-Flow-Batterie, umfassend
- einen Rahmengrundkörper (14) , welcher eine Rahmenöffnung (18) definiert, wobei der Rahmengrundkörper (14) ein einseitig, in Richtung der Rahmenöffnung (18) offenes, vorzugsweise im Wesentlichen U-förmiges, Querschnittsprofil aufweist, sodass ein zu der Rahmenöffnung (18) hin offener Profilaufnahmeraum (26) gebildet ist;
- einen Einleger (16) , welcher in dem Profilaufnahmeraum (26) des Rahmengrundkörpers (14) angeordnet ist, wobei der Einleger (16) Kanalstrukturen (36) zur Verteilung von Fluiden in der Rahmenöffnung (18) aufweist . Flussrahmen (10) nach Anspruch 1, wobei der Rahmengrundkörper (14) eine Mehrzahl von extrudierten Profilteilen (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) umfasst, wobei die Profilteile (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) jeweils einen Prof ilteilaufnahmeraum (26') begrenzen, insbesondere wobei die Profilteile (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) das gleiche Querschnittsprofil aufweisen. 43 Flussrahmen (10) nach Anspruch 2, wobei der Rahmengrundkörper (14) zwei Profilteile (15-2, 15-4) und zwei die Profilteile (15-2, 15-4) miteinander verbindende Verbindungsteile (86-1, 86-2) umfasst, wobei die Verbindungsteile (86-1, 86-2) mit einem jeweiligen Endabschnitt (88) in die
Prof ilteilaufnahmeräume (26') der Profilteile (15-2, 15-4) eingreifen. Flussrahmen (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Profilteile (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) miteinander und/oder die Profilteile (15-2, 15-3) mit den Verbindungsteile (86-1, 86-2) fluiddicht verbunden sind . Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kanalstrukturen (36, 40, 42, 44) des Einlegers (16) durch Ausnehmungen (46) an der Außenseite (48) des Einlegers (16) gebildet sind. Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einleger (16) an seiner Außenseite (48) Dichtungskonturen (54-1, 54-2) zur Abdichtung, insbesondere der Kanalstrukturen (36) , gegen den Rahmengrundkörper (14) aufweist, insbesondere wobei der Rahmengrundkörper (14) entsprechende Gegendichtungskonturen (56-1, 56-2) aufweist. Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rahmengrundkörper (14) aus einem Elastomer hergestellt ist, vorzugsweise aus einem 44 thermoplastischen Elastomer, weiter vorzugsweise aus thermoplastischem Polyethylen (TPE) , thermoplastischem Polystyrol (TPS) , thermoplastischem Polyurethan (TPU) und/oder aus einem thermoplastischen Vulkanisat (TPV) . Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einleger (16) aus einem, insbesondere im Vergleich zu dem Rahmengrundkörper-Material härteren und/oder steiferen Kunststoff hergestellt ist, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, weiter vorzugsweise aus Polypropylen (PP) , Polyethylen (PE) und/oder Polyvinylchlorid (PVC) . Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einleger (16) mehrteilig ausgebildet ist, umfassend wenigstens zwei Einlegerteile (16') , insbesondere wobei die Einlegerteile (16') zu einem Einlegerahmen stoff schlüssig und/oder formschlüssig, vorzugsweise über Nut-und- Feder-Verbindungen, verbunden sind. Flussrahmen (10) nach Anspruch 8, wobei der Rahmengrundkörper (14) eine rechteckige Grundform aufweist und wobei diejenigen Einlegerteile (16') , welche an den Längsseiten (38-1, 38-2) des Rahmengrundkörpers (14) angeordnet sind, Kanalstrukturen (36) zur Verteilung eines Fluids in der Rahmenöffnung (18) aufweisen. Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rahmengrundkörper (14) zumindest an einer derjenigen Außenseiten (30, 32) , welche parallel zu einer von der Rahmenöffnung 18 auf gespannten Rahmenebene orientiert sind, insbesondere an beiden gegenüberliegenden Außenseiten (30, 32) , eine an die Rahmenöffnung 18 angrenzende und diese umlaufende, stufenförmige Ausnehmung (70', 72') aufweist. Flussrahmen-Elektroden-Einheit (62-1, 62-2) , umfassend einen Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und eine, vorzugsweise die Rahmenöffnung
(18) ausfüllende, Elektrode (64) , insbesondere wobei die Elektrode (64) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich die Elektrode (64) bündig an die der Rahmenöffnung (18) zugewandten Innenkanten (80) des Rahmengrundkörpers (14) anschließt oder wobei die Elektrode (64) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Elektrode (64) abschnittsweise in den Profilaufnahmeraum (26) des Rahmengrundkörpers (14) eindringt. Zelle (12) für eine Redox-Flow-Batterie, umfassend eine erste und eine zweite Flussrahmen-Elektroden- Einheit (62-1, 62-2) nach Anspruch 12, wobei zwischen der ersten und der zweiten Flussrahmen-Elektroden- Einheit (62-1, 62-2) eine Membran (60) angeordnet ist, insbesondere wobei der Flussrahmen (10) der zweiten Flussrahmen-Elektroden-Einheit (62-2) relativ zu dem Flussrahmen (10) der ersten Flussrahmen-Elektroden- Einheit (62-1) um 180° um eine seiner Außenkanten geklappt ist. Zellstack für eine Redox-Flow-Batterie, umfassend eine Mehrzahl von Zellen (12) nach Anspruch 13, wobei die Zellen (12) entlang einer Stapelrichtung (66) aufeinandergestapelt sind, insbesondere wobei zwischen benachbarten Zellen (12) jeweils eine Bipolarplatte (68) angeordnet ist und wobei die Bipolarplatten (68) und/oder die Membranen (60) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie, bei Blickrichtung in Stapelrichtung (66) , in einer Richtung orthogonal zur Stapelrichtung (66) mit dem jeweiligen Einleger (16) der angrenzenden Flussrahmen- Elektroden-Einheiten (62-1, 62-2) teilweise überlappen, insbesondere wobei eine Überlappung 1 bis 40 mm, vorzugsweise 5 bis 15 mm beträgt. Verfahren zur Herstellung eines Flussrahmens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die folgenden Schritte : a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Profilteilen (15- 1, 15-2, 15-3, 15-4) , wobei ein Profilstrang extrudiert wird, welcher ein einseitig offenes, vorzugsweise im Wesentlichen U-förmiges, Querschnittsprofil aufweist, sodass ein einseitig offener Prof ilteilaufnahmeraum (26') gebildet ist, und wobei der Profilstrang zur Bildung der Profilteile (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) abgelängt wird; b) Einlegen des Einlegers (16) bzw. der Einlegerteile (16') in die Prof ilteilaufnahmeräume (26') der Profilteile (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) ; 47 c) Fluiddichtes, insbesondere stoff schlüssiges, Verbinden der Profilteile (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) an Verbindungsabschnitten (21, 88, 90, 92) .
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