EP4305690A1 - Electrode module for a redox flow cell, method for assembling same, and redox flow cell - Google Patents

Electrode module for a redox flow cell, method for assembling same, and redox flow cell

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Publication number
EP4305690A1
EP4305690A1 EP22701522.9A EP22701522A EP4305690A1 EP 4305690 A1 EP4305690 A1 EP 4305690A1 EP 22701522 A EP22701522 A EP 22701522A EP 4305690 A1 EP4305690 A1 EP 4305690A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
frame
seal
redox flow
groove
Prior art date
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Pending
Application number
EP22701522.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Frank
Yuan Yao
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.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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 Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4305690A1 publication Critical patent/EP4305690A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/021—Sealings between relatively-stationary surfaces with elastic packing
    • F16J15/022—Sealings between relatively-stationary surfaces with elastic packing characterised by structure or material
    • F16J15/024—Sealings between relatively-stationary surfaces with elastic packing characterised by structure or material the packing being locally weakened in order to increase elasticity
    • F16J15/025—Sealings between relatively-stationary surfaces with elastic packing characterised by structure or material the packing being locally weakened in order to increase elasticity and with at least one flexible lip
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • F16J15/10—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing
    • F16J15/104—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing characterised by structure
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an electrode module for a redox flow cell.
  • the electrode module includes a frame in which an electrode is arranged.
  • the invention further relates to a redox flow cell and a method for assembling an electrode module for the redox flow cell, wherein the assembly simultaneously leads to a sealing of an electrode in the electrode module.
  • Redox flow cells Electric cells are known from the prior art, which are referred to as redox flow cells and with which redox flow batteries can be formed.
  • Redox stands for reduction, in which electron acceptance can be seen.
  • Ox stands for oxidation, in which electron loss can be seen.
  • Redox flow cells store electrical energy in chemical compounds in which the reactants are dissolved in a solvent.
  • Two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between which an ion exchange takes place in the cell via a membrane. The energy-storing electrolytes are preferably stored outside the cell in separate tanks.
  • Redox flow cells preferably have a frame which frames a metal electrode of the cell.
  • the frame represents a carrier frame for the electrode and is also used for sealing.
  • a circumferential seal is required between the frame and the electrode. Since the electrolyte to be sealed is chemically aggressive, the choice of material for the seal is limited. The usual small wall thicknesses of the frame and the electrode also limit the selection of a suitable system for the sealing. Sealing solutions are known from the prior art, in which classic molded seals are used. These molded part seals are usually fixed by a groove in the frame. An undercut groove is required in the frame for a non-positive connection, which, due to the circumferential closed groove, leads to increased production costs.
  • sealing profile can only be influenced to a limited extent. Sealing systems with molded part and FIP seals require an additional element to generate the seal preload. In addition, sealing composites with elastic adhesives are used. Due to the chemical aggressiveness of the electrolyte, the adhesive may be washed out. In addition, greatly differing thermal expansions of the frame, which is formed from a thermoplastic material, and the metallic electrode lead to severe shearing stresses in the adhesive bead, particularly in the case of large formats. Both effects significantly reduce the service life of such a sealing system.
  • EP 2693087 A1 shows a sealing material for a thin plate element such as in a cell of a redox flow battery.
  • the annular sealing material includes a side sealing body disposed on one side of the thin plate member.
  • the front and the rear of the thin plate element are arranged on two sealing legs branching off from the lateral sealing body.
  • WO 2014/198364 A1 shows an electrode module for a redox flow battery.
  • the electrode module includes an electrode and a sealing frame.
  • the electrode should be connected to the sealing frame in such a way that the resulting electrode module can be used in redox flow cells without any problems.
  • the electrode is mechanically connected to the sealing frame.
  • a multi-lip seal is preferably arranged on the sealing frame and rests against a membrane.
  • the sealing frame preferably has a circumferential groove which is designed to taper conically towards the outside.
  • the channel preferably has an undercut.
  • WO 2013/016919 A1 shows a flow battery stack with a flow frame and with a collector plate arranged inside the flow frame.
  • One Ion exchange membrane is placed between collector plates and forms a cavity in which an electrolyte is housed with the collector plate.
  • An electrode is positioned within the cavity.
  • Two sets of flow openings are formed on the sides of the flow frame.
  • a sealing frame for use in a battery is known from EP 2432043 A1, which has a base body encompassing an opening.
  • a trigger area is formed at an edge of the opening.
  • a continuous drainage opening is formed in the base body adjacent to the triggering area.
  • a cell with a cell housing is surrounded by a sealing seam. The cell is placed on the sealing frame in such a way that the cell housing extends into the opening in such a way that the sealed seam is in contact with the seal and that the sealed seam is not acted upon by the seal in the release area.
  • At least one peripheral elastically compressible seal is provided, which encompasses the opening.
  • EP 3 113272 A1 teaches a frame body for a cell of a redox flow battery.
  • the frame body includes an opening formed within the frame body and a manifold through which an electrolyte can pass.
  • a slit connecting the manifold and the orifice has a pair of side walls facing each other in a cross section orthogonal to a direction in which the electrolyte flows.
  • the object of the present invention is to be able to fix an electrode for a redox flow cell in a frame in a simple and tight manner. Furthermore, thermal expansion should not lead to mechanical stresses that could impair the service life of the electrode.
  • the electrode module according to the invention is intended for a redox flow cell.
  • the redox flow cell is a wet cell and therefore an electrical accumulator.
  • the redox flow cell stores electrical energy in chemical compounds, with the reactants being dissolved in a solvent in two energy-storing electrolytes.
  • the two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between which an ion exchange takes place in the cell through a membrane.
  • the redox flow cell is preferably formed by an organic flow cell made from non-toxic components.
  • the redox flow cell is delimited by two electrodes.
  • the electrodes are designed in the form of modules. Such a module is formed by the electrode module according to the invention.
  • the electrode module includes a frame that forms a support frame and also a sealing frame.
  • the frame includes a seal which is arranged on an inner circumference of the frame.
  • the seal is formed circumferentially on this inner periphery of the frame.
  • the seal has at least two inwardly directed elastic sealing lips.
  • the sealing lips are directed towards the inside of the frame, i. H. to a center point of the frame, which is in a space enclosed by the frame.
  • a circumferential groove is formed between two of the sealing lips.
  • the circumferential groove is preferably formed between two adjacent sealing lips.
  • the opening of the groove is oriented towards the inside of the frame, i. H. to the center of the frame.
  • the groove runs completely around the inner circumference of the frame.
  • the seal is resistant to the chemically aggressive electrolytes in the redox flow cell.
  • the electrode module also includes a metallic electrode.
  • the electrode has an outer periphery with which the electrode sits in the groove of the gasket.
  • the electrode protrudes into the groove of the seal so that it sits between the two sealing lips and is clamped by them. This holds, fixes and seals the electrode.
  • the electrode protrudes into the groove along its circumferential direction over the entire length of the groove. As the electrode sits in the groove, it lies in the same plane as the frame and the seal. This level represents a main extension level of the frame, the seal and the electrode.
  • the gasket encloses the electrode.
  • the frame encloses the seal with the electrode seated therein.
  • a particular advantage of the electrode module is that the seal allows both the sealing of the electrode and its storage.
  • the electrode can be mounted quickly and easily in the frame, with a pre-tensioning force already being generated by the seal itself.
  • the electrode can also be removed from the frame if required.
  • one of the two sealing lips is pressed onto an upper side of the electrode, while the other of the two sealing lips is pressed onto an underside of the electrode.
  • the electrode is thus force-fitted between the two sealing lips. This leads to the advantage that the electrode is fixed in a direction perpendicular to its main plane of extension and is also securely sealed.
  • the outer perimeter of the electrode has circumferential clearance to a bottom of the groove.
  • the bottom of the groove like the groove, is designed to be circumferential.
  • a plumb line on the floor is preferably in the main plane of extension of the frame. This perpendicular preferably points to a center point of the frame.
  • the soil envelops the outer circumference of the electrode, with a clearance, namely the said clearance, being given to the outer circumference of the electrode.
  • the play leads to the electrode being able to expand and move somewhat in its main extension plane.
  • the frame which is preferably made of a thermoplastic material, and the metal electrode have different coefficients of thermal expansion. The play prevents to a greater extent that the different thermal expansion coefficients lead to mechanical stresses when the temperature changes.
  • the electrode is floating in the frame.
  • the play is preferably at least as large as a thickness of the electrode.
  • the clearance is more preferably at least five times the thickness of the electrode.
  • one of the two sealing lips is designed as a snap-in lug, via which the electrode can be snapped into the groove.
  • the sealing lip designed as a snap-in lug has an inner side face delimiting the groove and an outer side face opposite the inner side face.
  • the outer side surface is inclined relative to the main plane of extent of the frame, so that when the electrode is inserted from outside the frame into the seal of the frame, the electrode can slide into the circumferential outer side surface of the sealing lip designed as a snap-in lug and this sealing lip folds over like a hinge in the direction of the groove up to the electrode gets into the groove via this sealing lip, whereupon this sealing lip snaps back like a hinge and comes to rest on the upper side of the electrode.
  • the outer side face has an angle relative to the main extension plane of the frame which is preferably greater than 45°.
  • the design of one of the two sealing lips as a snap-on lug has the advantage that the electrode can be inserted into the frame very quickly and with little effort.
  • the sealing lip designed as a snap-in nose is also referred to below as the first sealing lip, while the other of the two sealing lips is referred to as the second sealing lip.
  • the second sealing lip has an inner side face delimiting the groove and an outer side face opposite the inner side face.
  • the outer side surface of the second sealing lip is preferably inclined with respect to the main plane of extent of the frame, but preferably less than the outer side surface of the first sealing lip. In an undeformed state, the outer side surface of the second sealing lip has an angle relative to the main plane of extension of the frame, which is preferably between 10° and 45°.
  • the second sealing lip preferably protrudes further into the interior of the frame than the first sealing lip.
  • the second sealing lip is in contact with the electrode in an area which is closer to the center point of the frame than an area in which the first sealing lip is in contact with the electrode.
  • the second sealing lip in the main plane of extension of the frame has an extent which is preferably at least 1.5 times greater than an extent which the first sealing lip has in the main plane of extent of the frame. In this sense, the second sealing lip is preferably at least 1.5 times as high as the first sealing lip.
  • the inclination of the outer side surface of the first sealing lip and the inclination of the outer side surface of the second sealing lip also lead to a self-sealing effect.
  • a pressure acting on the electrode also acts on the outer side surface of the respective sealing lip, so that the area of this sealing lip that touches the electrode is pressed more strongly against the electrode.
  • the seal is attached to the inner circumference of the frame in a form-fitting and/or material-fitting manner. This attachment ensures that the electrode seated in the seal is securely fixed and sealed against the frame.
  • the seal is affixed as an injection molded part to the inner periphery of the frame.
  • the seal is fastened to the inner circumference of the frame in a form-fitting and cohesive manner.
  • the frame On its inner circumference, the frame preferably has a stop that laterally delimits the inner circumference.
  • the stop is preferably formed around the inner circumference.
  • the stop forms a support for the seal.
  • a circumferential concave edge is preferably formed between the inner circumference and the stop.
  • the inner circumference is preferably designed in such a way that a perpendicular lies on the circumference in the main plane of extension of the frame.
  • the stop is preferably aligned perpendicularly to the inner circumference of the frame, so that the circumferential concave edge has an angle of 90°.
  • the seal preferably sits in the circumferential concave edge.
  • the circumferential concave edge ensures that the seal is securely and tightly fixed in the frame.
  • the seal is incorporated as an injection molded part into the peripheral concave edge of the frame, as a result of which it is firmly and tightly connected to the frame there.
  • the seal is preferably elastic and preferably consists of a polymer.
  • the polymer is preferably formed by a thermoplastic elastomer (TPE), by an ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or by a fluorine rubber (FKM).
  • TPE thermoplastic elastomer
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • FKM fluorine rubber
  • the seal or the polymer is preferably acid-resistant.
  • the frame is preferably made of a plastic.
  • the frame is preferably made of a thermoplastic material.
  • the frame is preferably acid resistant.
  • the metallic electrode preferably consists of a copper-zinc alloy or of graphite. However, the electrode can also consist of another metal.
  • the electrode is preferably designed to be porous.
  • the electrode is preferably formed by a thin-walled structure.
  • the electrode is preferably in the form of a rectangular plate. In this respect, the electrode has the shape of a flat cuboid.
  • the redox flow cell according to the invention comprises two of the electrode modules according to the invention.
  • the two electrode modules are preferably arranged in alignment with one another.
  • the two electrode modules are preferably of the same design.
  • a membrane is arranged between the two electrode modules. Electrolytes can circulate between the electrodes.
  • the two electrode modules are preferably designed according to one of the embodiments of the electrode module described above.
  • the redox flow cell preferably also has features that are specified in connection with the electrode module according to the invention.
  • the method according to the invention serves to assemble an electrode module for a redox flow cell.
  • a metallic electrode for the redox flow cell is provided.
  • a frame for the electrode is provided, in which the electrode is to be inserted.
  • the frame has a seal disposed on an inner periphery of the frame and formed circumferentially.
  • the seal has at least two inwardly directed elastic sealing lips, with a circumferential groove being formed between two of the sealing lips.
  • the electrode is placed over one of the sealing lips pressed into the groove. For this purpose, the electrode is arranged over the frame and a force is exerted on the electrode in a direction perpendicular to the main plane of extension.
  • the electrode module is preferably the electrode module according to the invention described above or one of the preferred embodiments of the electrode module according to the invention described above.
  • the electrode to be provided for the method and the frame to be provided for the method preferably also have features that are described in connection with the electrode module according to the invention.
  • this sealing lip which is preferably designed as a snap-in lug
  • this sealing lip is folded over in the manner of a hinge, so that the electrode can slide over this sealing lip.
  • This sealing lip then snaps back like a hinge so that the electrode sits in the groove and is held in place by the prestressed sealing lips with a force fit.
  • the other of the two sealing lips preferably also yields in a hinge-like manner. As soon as the electrode sits in the groove, this sealing lip also folds back and presses the electrode into the groove.
  • FIG. 1 shows an illustration of a preferred embodiment of a method according to the invention for assembling an electrode module
  • Figure 2 shows a first step of the method illustrated in Figure 1;
  • Figure 3 shows a second step of the method illustrated in Figure 1;
  • Figure 4 shows a third step of the method illustrated in Figure 1; and FIG. 5 assembled according to the method illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 5 shows a third step of the method illustrated in Figure 1; and FIG. 5 assembled according to the method illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows an illustration of a preferred embodiment of a method for assembling an electrode module according to the invention.
  • a rectangular frame 01 and a rectangular electrode 02 are provided.
  • the frame 01 has an elastic seal 03 (shown in FIG. 2) formed all the way around on its inner circumference.
  • the seal 03 (shown in FIG. 2) comprises an inwardly directed first elastic sealing lip 04 and an inwardly directed second elastic sealing lip 06 (shown in FIG. 2), between which a circumferential groove 07 (shown in FIG. 2) is formed is.
  • An arrow 08 symbolizes the course of the method, in which the electrode 02 is pressed into the frame 01, so that the result is an electrode module 10 for a redox flow cell (not shown).
  • the electrode module 10 represents a preferred embodiment of an electrode module according to the invention.
  • the sequence of the method symbolized by the arrow 08 is shown in individual steps in FIGS. 2 to 4 for a section AA.
  • FIG. 2 shows a first step of the method illustrated in FIG.
  • the provided frame 01 and the provided electrode 02 are present.
  • the electrode 02 was positioned in the middle above the frame 01.
  • a cross section of the inner peripheral seal 03 can be seen.
  • the seal 03 is fixed to the inner circumference of the frame 01, which is laterally delimited on one side by a stop 11, by injection molding in a materially bonded manner on the frame 01 and on the stop 11.
  • FIG. 3 shows a second step of the method illustrated in FIG.
  • the electrode 02 has already been partially pressed into the seal 01, so that the first sealing lip 04 has deformed in the direction of the groove 07.
  • FIG. 4 shows a third step of the method illustrated in FIG. The electrode 02 has been pressed even further into the seal 01, so that the first sealing lip 04 has snapped over the electrode 02 like a snap lug, so that the electrode 02 is located in the groove 07 between the two sealing lips 04, 06.
  • FIG. 5 shows the electrode module 10 assembled according to the method illustrated in FIG. 1.
  • the electrode 02 is located in the groove 07 of the seal 02, whereby the electrode 02 is fixed in the frame 01 and sealed against it.
  • the electrode 02 has some play relative to a bottom 12 of the groove 07, so that the electrode 02 is supported in a floating manner in the seal 03.
  • Arrows 13 symbolize a system pressure which presses the sealing lips 04, 06 against the electrode 02 with a force F, as a result of which the sealing effect of the seal 03 is increased.

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Abstract

The present invention relates to an electrode module (10) for a redox flow cell. The electrode module (10) comprises a frame (01) having a peripheral seal (03) which is arranged on an inner periphery of the frame (01) and which has at least two inwardly directed elastic sealing lips (04, 06). A peripheral groove (07) is formed between two of the sealing lips (04, 06). The electrode module (10) also comprises an electrode (02) having an outer periphery with which the electrode (02) is seated in the groove (07) of the seal (03). The invention also relates to a redox flow cell and to a method for assembling an electrode module (10) for the redox flow cell.

Description

Elektrodenmodul für eine Redox-Flow-Zelle und Verfahren zu seiner Montage sowie Redox-Flow-Zelle Electrode module for a redox flow cell and method for its assembly and redox flow cell
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenmodul für eine Redox-Flow-Zelle. Das Elektrodenmodul umfasst einen Rahmen, in welchem eine Elektrode angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Redox-Flow-Zelle sowie ein Verfahren zur Montage eines Elektrodenmoduls für die Redox-Flow-Zelle, wobei die Montage gleichzeitig zu einer Abdichtung einer Elektrode im Elektrodenmodul führt. The present invention relates to an electrode module for a redox flow cell. The electrode module includes a frame in which an electrode is arranged. The invention further relates to a redox flow cell and a method for assembling an electrode module for the redox flow cell, wherein the assembly simultaneously leads to a sealing of an electrode in the electrode module.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Zellen bekannt, welche als Redox-Flow- Zellen bezeichnet werden und mit denen Redox-Flow-Batterien gebildet werden können. In der Bezeichnung „Redox“ steht „Red" für Reduktion, worin eine Elektronenaufnahme zu sehen ist. „Ox" steht für Oxidation, worin eine Elektronenabgabe zu sehen ist. Redox-Flow-Zellen speichern elektrische Energie in chemischen Verbindungen, indem die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Zwei energiespeichernde Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle über eine Membran ein lonenaustausch erfolgt. Die energiespeichernden Elektrolyte werden bevorzugt außerhalb der Zelle in getrennten Tanks gelagert. Electric cells are known from the prior art, which are referred to as redox flow cells and with which redox flow batteries can be formed. In the term "Redox", "Red" stands for reduction, in which electron acceptance can be seen. "Ox" stands for oxidation, in which electron loss can be seen. Redox flow cells store electrical energy in chemical compounds in which the reactants are dissolved in a solvent. Two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between which an ion exchange takes place in the cell via a membrane. The energy-storing electrolytes are preferably stored outside the cell in separate tanks.
Redox-Flow-Zellen weisen bevorzugt einen Rahmen auf, welcher eine metallische Elektrode der Zelle umrahmt. Der Rahmen stellt einen Trägerrahmen für die Elektrode dar und dient auch der Abdichtung. Es bedarf einer umlaufenden Abdichtung zwischen dem Rahmen und der Elektrode. Da der abzudichtende Elektrolyt chemisch aggressiv ist, ist die Auswahl des Werkstoffes für die Abdichtung limitiert. Auch beschränken die üblichen geringen Wandstärken des Rahmens und der Elektrode die Auswahl eine geeigneten Systems für die Abdichtung. Aus dem Stand der Technik sind Lösungen zur Abdichtung bekannt, bei denen klassische Formteildichtungen zur Anwendung kommen. Diese Formteildichtungen werden in der Regel durch eine Nut im Rahmen fixiert. Für eine kraftschlüssige Verbindung wird eine hinterschnittige Nut im Rahmen benötigt, was aufgrund der umlaufenden geschlossenen Nut zu einem erhöhten Aufwand in der Herstellung führt. Da der Rahmen eine Wandstärke von typisch weniger als 3 mm aufweist, ist aufgrund der Filigranität eine formschlüssige Nutverbindung kaum realisierbar. Aus dem Stand der Technik sind zudem Lösungen zur Abdichtung bekannt, bei denen so genannte Formed-in-Place-Dichtungen (FIP) verwendet werden, welche durch Dispensing-Verfahren appliziert werden, die sich aufgrund relativ langer Taktzeiten häufig als wirtschaftlich unrentabel erweisen. Redox flow cells preferably have a frame which frames a metal electrode of the cell. The frame represents a carrier frame for the electrode and is also used for sealing. A circumferential seal is required between the frame and the electrode. Since the electrolyte to be sealed is chemically aggressive, the choice of material for the seal is limited. The usual small wall thicknesses of the frame and the electrode also limit the selection of a suitable system for the sealing. Sealing solutions are known from the prior art, in which classic molded seals are used. These molded part seals are usually fixed by a groove in the frame. An undercut groove is required in the frame for a non-positive connection, which, due to the circumferential closed groove, leads to increased production costs. Since the frame has a wall thickness of typically less than 3 mm, a form-fitting groove connection can hardly be realized due to the filigree nature. In addition, solutions for sealing are known from the prior art, in which so-called formed-in-place seals (FIP) are used, which are applied by dispensing methods, which often prove to be economically unprofitable due to relatively long cycle times.
Zudem ist die Geometrie des Dichtprofils nur bedingt beeinflussbar. Dichtsysteme mit Formteil- und FIP-Dichtungen benötigen ein zusätzliches Element zur Erzeugung der Dichtungsvorspannung. Außerdem werden Dichtverbunde mit elastischen Klebstoffen verwendet. Aufgrund der chemischen Aggressivität des Elektrolyten kann es zu Auswaschungen am Klebstoff kommen. Zudem führen stark unterschiedliche Wärmeausdehnungen des aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgeformten Rahmens und der metallischen Elektrode insbesondere bei großen Formaten zu starken Scherspannungen in der Kleberaupe. Beide Effekte reduzieren die Lebensdauer eines solchen Dichtsystems maßgeblich. In addition, the geometry of the sealing profile can only be influenced to a limited extent. Sealing systems with molded part and FIP seals require an additional element to generate the seal preload. In addition, sealing composites with elastic adhesives are used. Due to the chemical aggressiveness of the electrolyte, the adhesive may be washed out. In addition, greatly differing thermal expansions of the frame, which is formed from a thermoplastic material, and the metallic electrode lead to severe shearing stresses in the adhesive bead, particularly in the case of large formats. Both effects significantly reduce the service life of such a sealing system.
Die EP 2693087 A1 zeigt ein Dichtungsmaterial für ein dünnes Plattenelement wie beispielsweise in einer Zelle einer Redox-Flow-Batterie. Das ringförmige Dichtungsmaterial umfasst einen seitlichen Dichtungskörper, der an einer Seite des dünnen Plattenelementes angeordnet ist. Auf zwei vom seitlichen Dichtungskörper abzweigenden Dichtungsbeinen sind die Vorderseite und die Rückseite des dünnen Plattenelementes angeordnet. EP 2693087 A1 shows a sealing material for a thin plate element such as in a cell of a redox flow battery. The annular sealing material includes a side sealing body disposed on one side of the thin plate member. The front and the rear of the thin plate element are arranged on two sealing legs branching off from the lateral sealing body.
Die WO 2014/198364 A1 zeigt ein Elektrodenmodul für eine Redox-Flow-Batterie. Das Elektrodenmodul umfasst eine Elektrode und einen Dichtrahmen. Dabei soll die Elektrode derart mit dem Dichtrahmen verbunden werden, dass das daraus entstehende Elektrodenmodul problemlos in Redox-Flow-Zellen einsetzbar ist. Hierfür ist die Elektrode mechanisch mit dem Dichtrahmen verbunden. Am Dichtrahmen ist bevorzugt eine mehrlippige Dichtung angeordnet, welche an einer Membran anliegt. Der Dichtrahmen weist bevorzugt eine umlaufende Rinne auf, die nach außen konisch zulaufend ausgestaltet ist. Die Rinne weist bevorzugt einen Hinterschnitt auf. WO 2014/198364 A1 shows an electrode module for a redox flow battery. The electrode module includes an electrode and a sealing frame. The electrode should be connected to the sealing frame in such a way that the resulting electrode module can be used in redox flow cells without any problems. For this purpose, the electrode is mechanically connected to the sealing frame. A multi-lip seal is preferably arranged on the sealing frame and rests against a membrane. The sealing frame preferably has a circumferential groove which is designed to taper conically towards the outside. The channel preferably has an undercut.
WO 2013/016919 A1 zeigt einen Flow-Batteriestapel mit einem Durchflussrahmen und mit einer Kollektorplatte, die innerhalb des Durchflussrahmens angeordnet ist. Eine lonenaustauschmembran ist zwischen Kollektorplatten angeordnet und bildet einen Hohlraum bildet, in dem ein Elektrolyt mit der Kollektorplatte untergebracht ist. Eine Elektrode ist innerhalb des Hohlraumes angeordnet. An den Seiten des Durchflussrahmens sind zwei Sätze von Strömungsöffnungen ausgebildet. WO 2013/016919 A1 shows a flow battery stack with a flow frame and with a collector plate arranged inside the flow frame. One Ion exchange membrane is placed between collector plates and forms a cavity in which an electrolyte is housed with the collector plate. An electrode is positioned within the cavity. Two sets of flow openings are formed on the sides of the flow frame.
Aus der EP 2432043 A1 ist ein Dichtungsrahmen zur Verwendung in einer Batterie bekannt, welcher einen eine Öffnung umgreifenden Grundkörper aufweist. Ein Auslösebereich ist an einem Rand der Öffnung ausgebildet. Angrenzend an den Auslösebereich ist eine durchgängige Ableitungsöffnung in dem Grundkörper ausgebildet. Eine Zelle mit einem Zellgehäuse ist von einer Siegelnaht umgeben. Die Zelle ist so an den Dichtungsrahmen angelegt, dass das Zellgehäuse so in die Öffnung hineinreicht, dass die Siegelnaht an der Dichtung anliegt und dass in dem Auslösebereich die Siegelnaht nicht von der Dichtung beaufschlagt ist. Mindestens eine umlaufende elastisch komprimierbare Dichtung ist vorgesehen, welche die Öffnung umgreift. A sealing frame for use in a battery is known from EP 2432043 A1, which has a base body encompassing an opening. A trigger area is formed at an edge of the opening. A continuous drainage opening is formed in the base body adjacent to the triggering area. A cell with a cell housing is surrounded by a sealing seam. The cell is placed on the sealing frame in such a way that the cell housing extends into the opening in such a way that the sealed seam is in contact with the seal and that the sealed seam is not acted upon by the seal in the release area. At least one peripheral elastically compressible seal is provided, which encompasses the opening.
Die EP 3 113272 A1 lehrt einen Rahmenkörper für eine Zelle einer Redox-Flow- Batterie. Der Rahmenkörper umfasst eine innerhalb des Rahmenkörpers ausgebildete Öffnung und einen Verteiler, durch den ein Elektrolyt hindurchtreten kann. Ein den Verteiler und die Öffnung verbindender Schlitz weist ein Paar von Seitenwänden auf, die sich in einem Querschnitt gegenüberstehen, der orthogonal zu einer Richtung ist, in welcher der Elektrolyt fließt. EP 3 113272 A1 teaches a frame body for a cell of a redox flow battery. The frame body includes an opening formed within the frame body and a manifold through which an electrolyte can pass. A slit connecting the manifold and the orifice has a pair of side walls facing each other in a cross section orthogonal to a direction in which the electrolyte flows.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Elektrode für eine Redox-Flow-Zelle einfach und dicht in einem Rahmen fixieren zu können. Im Weiteren soll eine thermische Ausdehnung nicht zu mechanischen Spannungen führen, welche die Lebensdauer der Elektrode beeinträchtigen könnten. Based on the prior art, the object of the present invention is to be able to fix an electrode for a redox flow cell in a frame in a simple and tight manner. Furthermore, thermal expansion should not lead to mechanical stresses that could impair the service life of the electrode.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Elektrodenmodul gemäß dem beigefügten Anspruch 1, durch eine Redox-Flow-Zelle gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10. Das erfindungsgemäße Elektrodenmodul ist für eine Redox-Flow-Zelle vorgesehen. Bei der Redox-Flow-Zelle handelt es sich um eine Nasszelle und somit um einen elektrischen Akkumulator. Die Redox-Flow-Zelle speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form in zwei energiespeichernden Elektrolyten vorliegen. Die beiden energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle durch eine Membran ein lonenaustausch erfolgt. Die Redox-Flow-Zelle ist bevorzugt durch eine Organic-Flow-Zelle aus ungiftigen Bestandteilen gebildet. Die Redox-Flow-Zelle wird durch zwei Elektroden abgegrenzt. Dabei sind die Elektroden in Form von Modulen ausgebildet. Ein solches Modul wird durch das erfindungsgemäße Elektrodenmodul gebildet. Said object is achieved by an electrode module according to appended claim 1, by a redox flow cell according to appended independent claim 9 and by a method according to appended independent claim 10. The electrode module according to the invention is intended for a redox flow cell. The redox flow cell is a wet cell and therefore an electrical accumulator. The redox flow cell stores electrical energy in chemical compounds, with the reactants being dissolved in a solvent in two energy-storing electrolytes. The two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between which an ion exchange takes place in the cell through a membrane. The redox flow cell is preferably formed by an organic flow cell made from non-toxic components. The redox flow cell is delimited by two electrodes. The electrodes are designed in the form of modules. Such a module is formed by the electrode module according to the invention.
Das Elektrodenmodul umfasst einen Rahmen, der einen Trägerrahmen und auch einen Abdichtrahmen bildet. Hierfür umfasst der Rahmen eine Dichtung, welche auf einem inneren Umfang des Rahmens angeordnet ist. Die Dichtung ist umlaufend auf diesem inneren Umfang des Rahmens ausgebildet. Die Dichtung weist mindestens zwei nach innen gerichtete elastische Dichtlippen auf. Die Dichtlippen sind zum Inneren des Rahmens gerichtet, d. h. zu einem Mittelpunkt des Rahmens, welcher sich in einem von dem Rahmen umschlossenen Raum befindet. Zwischen zweien der Dichtlippen ist eine umlaufende Nut ausgebildet. Die umlaufende Nut ist bevorzugt zwischen zwei benachbarten der Dichtlippen ausgebildet. Die Öffnung der Nut ist zum Inneren des Rahmens ausgerichtet, d. h. zum Mittelpunkt des Rahmens. Die Nut umläuft den inneren Umfang des Rahmens vollständig. Die Dichtung ist beständig gegen die chemisch aggressiven Elektrolyte der Redox-Flow-Zelle. The electrode module includes a frame that forms a support frame and also a sealing frame. For this purpose, the frame includes a seal which is arranged on an inner circumference of the frame. The seal is formed circumferentially on this inner periphery of the frame. The seal has at least two inwardly directed elastic sealing lips. The sealing lips are directed towards the inside of the frame, i. H. to a center point of the frame, which is in a space enclosed by the frame. A circumferential groove is formed between two of the sealing lips. The circumferential groove is preferably formed between two adjacent sealing lips. The opening of the groove is oriented towards the inside of the frame, i. H. to the center of the frame. The groove runs completely around the inner circumference of the frame. The seal is resistant to the chemically aggressive electrolytes in the redox flow cell.
Das Elektrodenmodul umfasst zudem eine metallische Elektrode. Die Elektrode weist einen äußeren Umfang auf, mit welchem die Elektrode in der Nut der Dichtung sitzt. Die Elektrode ragt in die Nut der Dichtung hinein, sodass sie zwischen den beiden Dichtlippen sitzt und von diesen eingespannt wird. Hierdurch wird die Elektrode gehalten, fixiert und abgedichtet. Die Elektrode ragt über die gesamte Länge der Nut entlang ihrer Umlaufrichtung in die Nut hinein. Da die Elektrode in der Nut sitzt, liegt sie in einer Ebene, in welcher auch der Rahmen und die Dichtung liegen. Diese Ebene stellt einer Haupterstreckungsebene des Rahmens, der Dichtung und der Elektrode dar. Die Dichtung umschließt die Elektrode. Der Rahmen umschließt die Dichtung mit der darin sitzenden Elektrode. The electrode module also includes a metallic electrode. The electrode has an outer periphery with which the electrode sits in the groove of the gasket. The electrode protrudes into the groove of the seal so that it sits between the two sealing lips and is clamped by them. This holds, fixes and seals the electrode. The electrode protrudes into the groove along its circumferential direction over the entire length of the groove. As the electrode sits in the groove, it lies in the same plane as the frame and the seal. This level represents a main extension level of the frame, the seal and the electrode. The gasket encloses the electrode. The frame encloses the seal with the electrode seated therein.
Ein besonderer Vorteil des Elektrodenmoduls besteht darin, dass die Dichtung sowohl die Abdichtung der Elektrode als auch deren Lagerung ermöglicht. Die Elektrode kann schnell und einfach im Rahmen montiert werden, wobei eine Vorspannkraft bereits durch die Dichtung selbst erzeugt wird. Auch kann die Elektrode bei Bedarf aus dem Rahmen entnommen werden. A particular advantage of the electrode module is that the seal allows both the sealing of the electrode and its storage. The electrode can be mounted quickly and easily in the frame, with a pre-tensioning force already being generated by the seal itself. The electrode can also be removed from the frame if required.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine der beiden Dichtlippen auf eine Oberseite der Elektrode gepresst, während die andere der beiden Dichtlippen auf eine Unterseite der Elektrode gepresst ist. Die Elektrode ist somit kraftschlüssig zwischen den beiden Dichtlippen eingepresst. Dies führt zu dem Vorteil, dass die Elektrode in einer Richtung senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene fixiert und zudem sicher abgedichtet ist. In preferred embodiments, one of the two sealing lips is pressed onto an upper side of the electrode, while the other of the two sealing lips is pressed onto an underside of the electrode. The electrode is thus force-fitted between the two sealing lips. This leads to the advantage that the electrode is fixed in a direction perpendicular to its main plane of extension and is also securely sealed.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist der äußere Umfang der Elektrode ein umlaufendes Spiel zu einem Boden der Nut auf. Der Boden der Nut ist wie die Nut umlaufend ausgebildet. Ein Lot auf dem Boden liegt bevorzugt in der Haupterstreckungsebene des Rahmens. Dieses Lot zeigt bevorzugt zu einem Mittelpunkt des Rahmens. Der Boden hüllt den äußeren Umfang der Elektrode ein, wobei ein Abstand, nämlich das genannte Spiel, zu dem äußeren Umfang der Elektrode gegeben ist. Das Spiel führt dazu, dass sich die Elektrode in ihrer Haupterstreckungsebene etwas ausdehnen und bewegen kann. Der bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehende Rahmen und die metallische Elektrode weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Durch das Spiel wird in einem höheren Maße verhindert, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei einer Temperaturänderung zu mechanischen Spannungen führen. Durch das Spiel wird die Elektrode schwimmend im Rahmen gelagert. Das Spiel ist bevorzugt mindestens so groß wie eine Dicke der Elektrode. Das Spiel ist besonders bevorzugt mindestens fünfmal so groß wie die Dicke der Elektrode. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine der beiden Dichtlippen als eine Schnappnase ausgebildet, über welche die Elektrode in die Nut einschnappbar ist. Die als Schnappnase ausgebildete Dichtlippe weist eine die Nut begrenzende innere Seitenfläche und eine der inneren Seitenfläche gegenüberliegende äußere Seitenfläche auf. Die äußere Seitenfläche ist gegenüber der Haupterstreckungsebene des Rahmens geneigt, sodass beim Einsetzen der Elektrode von außerhalb des Rahmens in die Dichtung des Rahmens die Elektrode in die umlaufende äußere Seitenfläche der als Schnappnase ausgebildeten Dichtlippe hineingleiten kann und dabei diese Dichtlippe scharnierartig in Richtung der Nut umklappt bis die Elektrode über diese Dichtlippe in die Nut gelangt, woraufhin diese Dichtlippe scharnierartig zurückschnappt und auf der Oberseite der Elektrode zum Aufliegen kommt. Die äußere Seitenfläche weist in einem unverformten Zustand gegenüber der Haupterstreckungsebene des Rahmens einen Winkel auf, welcher bevorzugt größer als 45° ist. Die Ausbildung der einen der beiden Dichtlippen als Schnappnase weist den Vorteil auf, dass die Elektrode sehr aufwandsarm und schnell in den Rahmen eingesetzt werden kann. In preferred embodiments, the outer perimeter of the electrode has circumferential clearance to a bottom of the groove. The bottom of the groove, like the groove, is designed to be circumferential. A plumb line on the floor is preferably in the main plane of extension of the frame. This perpendicular preferably points to a center point of the frame. The soil envelops the outer circumference of the electrode, with a clearance, namely the said clearance, being given to the outer circumference of the electrode. The play leads to the electrode being able to expand and move somewhat in its main extension plane. The frame, which is preferably made of a thermoplastic material, and the metal electrode have different coefficients of thermal expansion. The play prevents to a greater extent that the different thermal expansion coefficients lead to mechanical stresses when the temperature changes. Due to the play, the electrode is floating in the frame. The play is preferably at least as large as a thickness of the electrode. The clearance is more preferably at least five times the thickness of the electrode. In preferred embodiments, one of the two sealing lips is designed as a snap-in lug, via which the electrode can be snapped into the groove. The sealing lip designed as a snap-in lug has an inner side face delimiting the groove and an outer side face opposite the inner side face. The outer side surface is inclined relative to the main plane of extent of the frame, so that when the electrode is inserted from outside the frame into the seal of the frame, the electrode can slide into the circumferential outer side surface of the sealing lip designed as a snap-in lug and this sealing lip folds over like a hinge in the direction of the groove up to the electrode gets into the groove via this sealing lip, whereupon this sealing lip snaps back like a hinge and comes to rest on the upper side of the electrode. In an undeformed state, the outer side face has an angle relative to the main extension plane of the frame which is preferably greater than 45°. The design of one of the two sealing lips as a snap-on lug has the advantage that the electrode can be inserted into the frame very quickly and with little effort.
Die als Schnappnase ausgebildete Dichtlippe wird im Weiteren auch als erste Dichtlippe bezeichnet, während die andere der beiden Dichtlippen als zweite Dichtlippe bezeichnet wird. Die zweite Dichtlippe weist eine die Nut begrenzende innere Seitenfläche und eine der inneren Seitenfläche gegenüberliegende äußere Seitenfläche auf. Die äußere Seitenfläche der zweiten Dichtlippe ist bevorzugt gegenüber der Haupterstreckungsebene des Rahmens geneigt, jedoch bevorzugt weniger als die äußere Seitenfläche der ersten Dichtlippe. Die äußere Seitenfläche der zweiten Dichtlippe weist in einem unverformten Zustand gegenüber der Haupterstreckungsebene des Rahmens einen Winkel auf, welcher bevorzugt zwischen 10° und 45° beträgt. Die zweite Dichtlippe ragt bevorzugt weiter als die erste Dichtlippe in den Innenraum des Rahmens hinein. Somit liegt die zweite Dichtlippe in einem Bereich an der Elektrode an, welcher näher zum Mittelpunkt des Rahmens liegt als ein Bereich, in welchem die erste Dichtlippe an der Elektrode anliegt. Somit weist die zweite Dichtlippe in der Haupterstreckungsebene des Rahmens eine Ausdehnung auf, welche bevorzugt mindestens 1 ,5-mal so groß wie eine Ausdehnung, welche die erste Dichtlippe in der Haupterstreckungsebene des Rahmens aufweist. In diesem Sinne ist die zweite Dichtlippe bevorzugt mindestens 1 ,5-mal so hoch wie die erste Dichtlippe. The sealing lip designed as a snap-in nose is also referred to below as the first sealing lip, while the other of the two sealing lips is referred to as the second sealing lip. The second sealing lip has an inner side face delimiting the groove and an outer side face opposite the inner side face. The outer side surface of the second sealing lip is preferably inclined with respect to the main plane of extent of the frame, but preferably less than the outer side surface of the first sealing lip. In an undeformed state, the outer side surface of the second sealing lip has an angle relative to the main plane of extension of the frame, which is preferably between 10° and 45°. The second sealing lip preferably protrudes further into the interior of the frame than the first sealing lip. Thus, the second sealing lip is in contact with the electrode in an area which is closer to the center point of the frame than an area in which the first sealing lip is in contact with the electrode. Thus, the second sealing lip in the main plane of extension of the frame has an extent which is preferably at least 1.5 times greater than an extent which the first sealing lip has in the main plane of extent of the frame. In this In this sense, the second sealing lip is preferably at least 1.5 times as high as the first sealing lip.
Die Neigung der äußeren Seitenfläche der ersten Dichtlippe und die Neigung der äußeren Seitenfläche der zweiten Dichtlippe führen zudem zu einer selbstabdichtenden Wirkung. Ein auf die Elektrode wirkender Druck wirkt auch auf die äußere Seitenfläche der jeweiligen Dichtlippe, sodass der die Elektrode berührende Bereich dieser Dichtlippe stärker gegen die Elektrode gepresst wird. The inclination of the outer side surface of the first sealing lip and the inclination of the outer side surface of the second sealing lip also lead to a self-sealing effect. A pressure acting on the electrode also acts on the outer side surface of the respective sealing lip, so that the area of this sealing lip that touches the electrode is pressed more strongly against the electrode.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Dichtung formschlüssig und/oder stoffschlüssig an dem inneren Umfang des Rahmens befestigt. Diese Befestigung gewährleistet eine sichere Fixierung und eine Abdichtung der in der Dichtung sitzenden Elektrode gegenüber dem Rahmen. In preferred embodiments, the seal is attached to the inner circumference of the frame in a form-fitting and/or material-fitting manner. This attachment ensures that the electrode seated in the seal is securely fixed and sealed against the frame.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Dichtung als ein Spritzgussteil auf dem inneren Umfang des Rahmens befestigt. Hierdurch ist die Dichtung formschlüssig und stoffschlüssig an dem inneren Umfang des Rahmens befestigt. In preferred embodiments, the seal is affixed as an injection molded part to the inner periphery of the frame. As a result, the seal is fastened to the inner circumference of the frame in a form-fitting and cohesive manner.
Der Rahmen weist auf seinem inneren Umfang bevorzugt einen den inneren Umfang seitlich begrenzenden Anschlag auf. Der Anschlag ist bevorzugt umlaufend um den inneren Umfang ausgebildet. Der Anschlag bildet eine Abstützung für die Dichtung. Zwischen dem inneren Umfang und dem Anschlag ist bevorzugt eine umlaufende konkave Kante ausgebildet. Der innere Umfang ist bevorzugt so ausgebildet, dass ein Lot auf dem Umfang in der Haupterstreckungsebene des Rahmens liegt. Der Anschlag ist bevorzugt senkrecht zum inneren Umfang des Rahmens ausgerichtet, sodass die umlaufende konkave Kante einen Winkel von 90° aufweist. Die Dichtung sitzt bevorzugt in der umlaufenden konkaven Kante. Die umlaufende konkave Kante sorgt für eine sichere und dichte Fixierung der Dichtung im Rahmen. On its inner circumference, the frame preferably has a stop that laterally delimits the inner circumference. The stop is preferably formed around the inner circumference. The stop forms a support for the seal. A circumferential concave edge is preferably formed between the inner circumference and the stop. The inner circumference is preferably designed in such a way that a perpendicular lies on the circumference in the main plane of extension of the frame. The stop is preferably aligned perpendicularly to the inner circumference of the frame, so that the circumferential concave edge has an angle of 90°. The seal preferably sits in the circumferential concave edge. The circumferential concave edge ensures that the seal is securely and tightly fixed in the frame.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Dichtung als ein Spritzgussteil in die umlaufende konkave Kante des Rahmens eingebracht, wodurch sie dort fest und dicht mit dem Rahmen verbunden ist. Die Dichtung ist bevorzugt elastisch und besteht bevorzugt aus einem Polymer. Das Polymer ist bevorzugt durch ein thermoplastisches Elastomer (TPE), durch einen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder durch einen Fluorkautschuk (FKM) gebildet. Die Dichtung bzw. das Polymer ist bevorzugt säurebeständig. In preferred embodiments, the seal is incorporated as an injection molded part into the peripheral concave edge of the frame, as a result of which it is firmly and tightly connected to the frame there. The seal is preferably elastic and preferably consists of a polymer. The polymer is preferably formed by a thermoplastic elastomer (TPE), by an ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or by a fluorine rubber (FKM). The seal or the polymer is preferably acid-resistant.
Der Rahmen besteht bevorzugt aus einem Kunststoff. Der Rahmen besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff. Der Rahmen ist bevorzugt säurebeständig. The frame is preferably made of a plastic. The frame is preferably made of a thermoplastic material. The frame is preferably acid resistant.
Die metallische Elektrode besteht bevorzugt aus einer Kupfer-Zink-Legierung oder aus einem Graphit. Die Elektrode kann aber auch aus einem anderen Metall bestehen. Die Elektrode ist bevorzugt porös ausgebildet. Die Elektrode ist bevorzugt durch eine dünnwandige Struktur gebildet. Die Elektrode weist bevorzugt die Form einer rechteckigen Platte auf. Insoweit weist die Elektrode die Form eines flachen Quaders auf. The metallic electrode preferably consists of a copper-zinc alloy or of graphite. However, the electrode can also consist of another metal. The electrode is preferably designed to be porous. The electrode is preferably formed by a thin-walled structure. The electrode is preferably in the form of a rectangular plate. In this respect, the electrode has the shape of a flat cuboid.
Die erfindungsgemäße Redox-Flow-Zelle umfasst zwei der erfindungsgemäßen Elektrodenmodule. Die beiden Elektrodenmodule sind bevorzugt fluchtend zueinander angeordnet. Die beiden Elektrodenmodule sind bevorzugt gleich ausgeführt. Zwischen den beiden Elektrodenmodulen ist eine Membran angeordnet. Zwischen den Elektroden können Elektrolyte zirkulieren. Die beiden Elektrodenmodule sind bevorzugt gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen des Elektrodenmoduls ausgeführt. Im Übrigen weist die Redox-Flow-Zelle bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenmodul angegeben sind. The redox flow cell according to the invention comprises two of the electrode modules according to the invention. The two electrode modules are preferably arranged in alignment with one another. The two electrode modules are preferably of the same design. A membrane is arranged between the two electrode modules. Electrolytes can circulate between the electrodes. The two electrode modules are preferably designed according to one of the embodiments of the electrode module described above. In addition, the redox flow cell preferably also has features that are specified in connection with the electrode module according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Montage eines Elektrodenmoduls für eine Redox-Flow-Zelle. In einem Schritt des Verfahrens wird eine metallische Elektrode für die Redox-Flow-Zelle bereitgestellt. Zudem wird ein Rahmen für die Elektrode bereitgestellt, in welchen die Elektrode eingesetzt werden soll. Der Rahmen weist eine auf einem inneren Umfang des Rahmens angeordnete und umlaufend ausgebildete Dichtung auf. Die Dichtung weist mindestens zwei nach innen gerichtete elastische Dichtlippen auf, wobei zwischen zweien der Dichtlippen eine umlaufende Nut ausgebildet ist. In einem weiteren Schritt wird die Elektrode über eine der Dichtlippen in die Nut gepresst. Flierzu wird die Elektrode über dem Rahmen angeordnet und es wird eine Kraft in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene auf die Elektrode ausgeübt. Sobald die Elektrode in der Nut sitzt, liegt das montierte Elektrodenmodul vor. Bei dem Elektrodenmodul handelt es sich bevorzugt um das oben beschriebene erfindungsgemäße Elektrodenmodul oder um eine der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektrodenmoduls. Insoweit weisen die für das Verfahren bereitzustellende Elektrode und der für das Verfahren bereitzustellende Rahmen bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenmodul beschrieben sind. The method according to the invention serves to assemble an electrode module for a redox flow cell. In one step of the method, a metallic electrode for the redox flow cell is provided. In addition, a frame for the electrode is provided, in which the electrode is to be inserted. The frame has a seal disposed on an inner periphery of the frame and formed circumferentially. The seal has at least two inwardly directed elastic sealing lips, with a circumferential groove being formed between two of the sealing lips. In a further step, the electrode is placed over one of the sealing lips pressed into the groove. For this purpose, the electrode is arranged over the frame and a force is exerted on the electrode in a direction perpendicular to the main plane of extension. As soon as the electrode sits in the groove, the assembled electrode module is available. The electrode module is preferably the electrode module according to the invention described above or one of the preferred embodiments of the electrode module according to the invention described above. In this respect, the electrode to be provided for the method and the frame to be provided for the method preferably also have features that are described in connection with the electrode module according to the invention.
Beim Pressen der Elektrode über die bevorzugt als Schnappnase ausgebildete Dichtlippe wird diese Dichtlippe scharnierartig umgeklappt, sodass die Elektrode über diese Dichtlippe gleiten kann. Anschließend schnappt diese Dichtlippe scharnierartig zurück, sodass die Elektrode in der Nut sitzt und von den vorgespannten Dichtlippen kraftschlüssig aufgenommen wird. Damit die Elektrode über die als Schnappnase ausgebildete Dichtlippe gleiten kann, um in die Nut zu gelangen, gibt bevorzugt auch die andere der beiden Dichtlippen scharnierartig nach. Sobald die Elektrode in der Nut sitzt, klappt auch diese Dichtlippe zurück und presst die Elektrode in die Nut. When the electrode is pressed over the sealing lip, which is preferably designed as a snap-in lug, this sealing lip is folded over in the manner of a hinge, so that the electrode can slide over this sealing lip. This sealing lip then snaps back like a hinge so that the electrode sits in the groove and is held in place by the prestressed sealing lips with a force fit. So that the electrode can slide over the sealing lip designed as a snap-in lug in order to get into the groove, the other of the two sealing lips preferably also yields in a hinge-like manner. As soon as the electrode sits in the groove, this sealing lip also folds back and presses the electrode into the groove.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Further details, advantages and developments of the invention result from the following description of a preferred embodiment of the invention, with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage eines Elektrodenmoduls; 1 shows an illustration of a preferred embodiment of a method according to the invention for assembling an electrode module;
Fig. 2 einen ersten Schritt des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens; Figure 2 shows a first step of the method illustrated in Figure 1;
Fig. 3 einen zweiten Schritt des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens; Figure 3 shows a second step of the method illustrated in Figure 1;
Fig. 4 einen dritten Schritt des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens; und Fig. 5 das gemäß dem in Fig. 1 veranschaulichten Verfahren montierteFigure 4 shows a third step of the method illustrated in Figure 1; and FIG. 5 assembled according to the method illustrated in FIG. 1. FIG
Elektrodenmodul. electrode module.
Fig. 1 zeigt eine Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage eines Elektrodenmoduls. Zunächst werden ein rechteckförmiger Rahmen 01 und eine rechteckförmige Elektrode 02 bereitgestellt. Der Rahmen 01 weist auf seinem inneren Umfang eine umlaufend ausgebildete elastische Dichtung 03 (gezeigt in Fig. 2) auf. Die Dichtung 03 (gezeigt in Fig. 2) umfasst eine nach innen gerichtete erste elastische Dichtlippe 04 und eine nach innen gerichtete zweite elastische Dichtlippe 06 (gezeigt in Fig. 2), zwischen denen eine umlaufende Nut 07 (gezeigt in Fig. 2) ausgebildet ist. 1 shows an illustration of a preferred embodiment of a method for assembling an electrode module according to the invention. First, a rectangular frame 01 and a rectangular electrode 02 are provided. The frame 01 has an elastic seal 03 (shown in FIG. 2) formed all the way around on its inner circumference. The seal 03 (shown in FIG. 2) comprises an inwardly directed first elastic sealing lip 04 and an inwardly directed second elastic sealing lip 06 (shown in FIG. 2), between which a circumferential groove 07 (shown in FIG. 2) is formed is.
Ein Pfeil 08 symbolisiert den Ablauf des Verfahrens, bei welchem die Elektrode 02 in den Rahmen 01 gepresst wird, sodass im Ergebnis ein Elektrodenmodul 10 für eine Redox-Flow-Zelle (nicht gezeigt) vorliegt. Das Elektrodenmodul 10 stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrodenmoduls dar. Der durch den Pfeil 08 symbolisierte Ablauf des Verfahrens ist in einzelnen Schritten in den Figuren 2 bis 4 für einen Schnitt AA dargestellt. An arrow 08 symbolizes the course of the method, in which the electrode 02 is pressed into the frame 01, so that the result is an electrode module 10 for a redox flow cell (not shown). The electrode module 10 represents a preferred embodiment of an electrode module according to the invention. The sequence of the method symbolized by the arrow 08 is shown in individual steps in FIGS. 2 to 4 for a section AA.
Fig. 2 zeigt einen ersten Schritt des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens. In diesem Schritt liegen der bereitgestellte Rahmen 01 und die bereitgestellte Elektrode 02 vor. Die Elektrode 02 wurde mittig über dem Rahmen 01 positioniert. In der Schnittdarstellung des Rahmens 01 ist ein Querschnitt der innen umlaufenden Dichtung 03 zu erkennen. Die Dichtung 03 ist an dem inneren Umfang des Rahmens 01 , welcher durch einen Anschlag 11 einseitig seitlich begrenzt ist, per Spritzguss stoffschlüssig am Rahmen 01 und am Anschlag 11 befestigt. FIG. 2 shows a first step of the method illustrated in FIG. In this step, the provided frame 01 and the provided electrode 02 are present. The electrode 02 was positioned in the middle above the frame 01. In the sectional view of the frame 01, a cross section of the inner peripheral seal 03 can be seen. The seal 03 is fixed to the inner circumference of the frame 01, which is laterally delimited on one side by a stop 11, by injection molding in a materially bonded manner on the frame 01 and on the stop 11.
Fig. 3 zeigt einen zweiten Schritt des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens. Die Elektrode 02 wurde bereits teilweise in die Dichtung 01 hineingepresst, sodass sich die erste Dichtlippe 04 in Richtung der Nut 07 verformt hat. Fig. 4 zeigt einen dritten Schritt des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens. Die Elektrode 02 ist noch weiter in die Dichtung 01 hineingepresst worden, sodass die erste Dichtlippe 04 wie eine Schnappnase über die Elektrode 02 geschnappt ist, sodass sich die Elektrode 02 in der Nut 07 zwischen den beiden Dichtlippen 04, 06 befindet. FIG. 3 shows a second step of the method illustrated in FIG. The electrode 02 has already been partially pressed into the seal 01, so that the first sealing lip 04 has deformed in the direction of the groove 07. FIG. 4 shows a third step of the method illustrated in FIG. The electrode 02 has been pressed even further into the seal 01, so that the first sealing lip 04 has snapped over the electrode 02 like a snap lug, so that the electrode 02 is located in the groove 07 between the two sealing lips 04, 06.
Fig. 5 zeigt das gemäß dem in Fig. 1 veranschaulichten Verfahren montierte Elektrodenmodul 10. Die Elektrode 02 befindet sich in der Nut 07 der Dichtung 02, wodurch die Elektrode 02 in dem Rahmen 01 fixiert ist und gegenüber diesem abgedichtet ist. Die Elektrode 02 weist in der Nut 07 ein Spiel zu einem Boden 12 der Nut 07 auf, sodass eine schwimmende Lagerung der Elektrode 02 in der Dichtung 03 ausgebildet ist. FIG. 5 shows the electrode module 10 assembled according to the method illustrated in FIG. 1. The electrode 02 is located in the groove 07 of the seal 02, whereby the electrode 02 is fixed in the frame 01 and sealed against it. In the groove 07, the electrode 02 has some play relative to a bottom 12 of the groove 07, so that the electrode 02 is supported in a floating manner in the seal 03.
Pfeile 13 symbolisieren einen Systemdruck, welcher die Dichtlippen 04, 06 mit einer Kraft F gegen die Elektrode 02 presst, wodurch die Dichtwirkung der Dichtung 03 erhöht wird. Arrows 13 symbolize a system pressure which presses the sealing lips 04, 06 against the electrode 02 with a force F, as a result of which the sealing effect of the seal 03 is increased.
Bezugszeichenliste Rahmen Elektrode Dichtung erste Dichtlippe - zweite Dichtlippe Nut Pfeil - Elektrodenmodul Anschlag Boden Pfeile List of reference symbols frame electrode seal first sealing lip-second sealing lip groove arrow-electrode module stop bottom arrows

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Elektrodenmodul (10) für eine Redox-Flow-Zelle, umfassend: 1. Electrode module (10) for a redox flow cell, comprising:
- einen Rahmen (01 ) mit einer auf einem inneren Umfang des Rahmens (01 ) angeordneten und umlaufend ausgebildeten Dichtung (03), welche mindestens zwei nach innen gerichtete elastische Dichtlippen (04, 06) aufweist, wobei zwischen zweien der Dichtlippen (04, 06) eine umlaufende Nut (07) ausgebildet ist; und - a frame (01) with a seal (03) arranged on an inner circumference of the frame (01) and formed all around, which has at least two inwardly directed elastic sealing lips (04, 06), wherein between two of the sealing lips (04, 06 ) a circumferential groove (07) is formed; and
- eine Elektrode (02), die einen äußeren Umfang aufweist, mit welchem die Elektrode (02) in der Nut (07) der Dichtung (03) sitzt. - An electrode (02) having an outer circumference with which the electrode (02) sits in the groove (07) of the seal (03).
2. Elektrodenmodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Dichtlippen (04) auf eine Oberseite der Elektrode (02) gepresst ist und dass die andere der beiden Dichtlippen (06) auf eine Unterseite der Elektrode (02) gepresst ist. 2. Electrode module (10) according to claim 1, characterized in that one of the two sealing lips (04) is pressed onto an upper side of the electrode (02) and that the other of the two sealing lips (06) is pressed onto an underside of the electrode (02). is.
3. Elektrodenmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Umfang der Elektrode (02) ein umlaufendes Spiel zu einem Boden (12) der Nut (07) aufweist. 3. Electrode module (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the outer circumference of the electrode (02) has a peripheral clearance to a bottom (12) of the groove (07).
4. Elektrodenmodul (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel mindestens halb so groß wie eine Dicke der Elektrode (02) ist. 4. Electrode module (10) according to claim 3, characterized in that the clearance is at least half as large as a thickness of the electrode (02).
5. Elektrodenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Dichtlippen (04) als eine Schnappnase ausgebildet ist, über welche die Elektrode (02) in die Nut (07) einschnappbar ist. 5. Electrode module (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that one of the two sealing lips (04) is designed as a snap-in lug, via which the electrode (02) can be snapped into the groove (07).
6. Elektrodenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (03) formschlüssig und/oder stoffschlüssig an dem inneren Umfang des Rahmens (01) befestigt ist. 6. Electrode module (10) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the seal (03) is fastened to the inner circumference of the frame (01) in a form-fitting manner and/or with a material connection.
7. Elektrodenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (03) als ein Spritzgussteil an dem inneren Umfang des Rahmens (06) befestigt ist. 7. electrode module (10) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the seal (03) is attached as an injection molded part on the inner circumference of the frame (06).
8. Elektrodenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (01) auf seinem inneren Umfang einen den inneren Umfang seitlich begrenzenden Anschlag (11) aufweist, wobei zwischen dem inneren Umfang und dem Anschlag (11) eine umlaufende konkave Kante ausgebildet ist, in welcher die Dichtung (03) sitzt. 8. Electrode module (10) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the frame (01) has on its inner circumference a stop (11) laterally delimiting the inner circumference, wherein between the inner circumference and the stop (11) a circumferential concave edge is formed, in which the seal (03) sits.
9. Redox-Flow-Zelle mit zwei Elektrodenmodulen (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, zwischen denen eine Membran angeordnet ist. 9. redox flow cell with two electrode modules (10) according to any one of claims 1 to 8, between which a membrane is arranged.
10. Verfahren zur Montage eines Elektrodenmoduls (10) für eine Redox-Flow-Zelle, folgende Schritte umfassend: 10. A method for assembling an electrode module (10) for a redox flow cell, comprising the following steps:
- Bereitstellen einer Elektrode (02); - Providing an electrode (02);
- Bereitstellen eines Rahmens (01) für die Elektrode (02), der eine auf einem inneren Umfang des Rahmens (01) angeordnete und umlaufend ausgebildete Dichtung (03) aufweist, wobei die Dichtung (03) mindestens zwei nach innen gerichtete elastische Dichtlippen (04, 06) aufweist, wobei zwischen zweien der Dichtlippen (04, 06) eine umlaufende Nut (07) ausgebildet ist; und - Providing a frame (01) for the electrode (02), which has a seal (03) arranged on an inner circumference of the frame (01) and formed circumferentially, the seal (03) having at least two inwardly directed elastic sealing lips (04 , 06), wherein a circumferential groove (07) is formed between two of the sealing lips (04, 06); and
- Pressen der Elektrode (02) über eine der Dichtlippen (04) in die Nut (07). - Press the electrode (02) over one of the sealing lips (04) into the groove (07).
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