EP4562699A2 - Redox-flow-konverter - Google Patents

Redox-flow-konverter

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Publication number
EP4562699A2
EP4562699A2 EP23736598.6A EP23736598A EP4562699A2 EP 4562699 A2 EP4562699 A2 EP 4562699A2 EP 23736598 A EP23736598 A EP 23736598A EP 4562699 A2 EP4562699 A2 EP 4562699A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
height
redox flow
channel
frame
cell
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Withdrawn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
EP23736598.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Hauck
Martin Vornehm
Mario Degler
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 EP4562699A2 publication Critical patent/EP4562699A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
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    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
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    • 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
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    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • 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 redox flow converter constructed in stack form according to the preamble of claim 1.
  • a generic redox flow converter is known, for example, from EP 3 545 566 B1.
  • a frame of a porous electrode of the known redox flow converter has channels for an electrochemical fluid.
  • the channels are in the form of a supply channel and a discharge channel and each open onto a side surface of the electrode.
  • the frame of the arrangement according to EP 3 545 566 B1 is constructed in several parts, namely an upper frame and a lower frame, with each of the two frames holding an electrode and the electrodes being separated from one another by a membrane.
  • Supply and discharge channels are formed through both the upper frame and the lower frame. Furthermore, both the upper and lower frames provide space for receiving a seal that is in contact with the membrane.
  • DE 10 2021 111 054 B3 describes a redox flow cell and a method for assembling a redox flow battery.
  • the redox flow cell includes an electrode module, which has an electrode frame with a running seal arranged on its inner circumference. This seal in turn has a holding frame on which a snap nose is designed to accommodate an electrode.
  • a membrane module is connected to the electrode module of the redox flow cell according to DE 10 2021 111 054 B3, which comprises a membrane frame and a membrane.
  • redox flow cells are generally characterized by the fact that electrolytes flow through them.
  • the electrolytes can be provided in separate tanks, providing the ability to scale power and capacity independently.
  • redox flow systems can be designed, among other things, as large-scale energy storage devices.
  • a redox flow converter is typically referred to as a cell stack constructed arrangement of electrochemical cells, i.e. redox flow cells, which represents the core component of a redox flow battery.
  • the invention is based on the object of further developing redox flow converters, which can be operated with organic electrolytes, for example, compared to the stated prior art with regard to the conflict of objectives between fluidic and electrical engineering requirements, while at the same time a compact, production-friendly structure of the redox flow converter should be given.
  • the redox flow converter comprises, in a basic concept known per se, a plurality of redox flow cells arranged in the form of a cell stack, each redox flow cell being formed from two half cells separated from one another by a membrane, so that the height of each Redox flow cell is given by the heights of its half cells, where Frames exist which surround the membranes, and shunt channels connected to active fields of the half cells are formed in the frames.
  • the height of a shunt channel which is also generally referred to as a frame channel, exceeds the height of a single half cell.
  • the height of the meander channel or other shunt channel is less than the height of each redox flow cell, i.e. less than the sum of the heights of both half cells.
  • the invention is based on the consideration that due to the plate-shaped structure of the individual cells of the redox flow converter, a large width is typically available for keeping channels clear, whereas narrower limits are set in the direction of the cell height.
  • the cell height is to be measured in the stacking direction of the cell stack, i.e. in the vertical direction for horizontally aligned, essentially flat cells. Based on this consideration, channel cross-sections for electrolytes could be enlarged practically arbitrarily by utilizing a large part of the width of the frame. This would result in large channel cross-sections even with a low frame height. The channel height could remain limited to the half-cell height.
  • the redox flow converter can be operated, among other things, with known vanadium electrolytes. Regardless of the type of electrolyte solutions are through the use of approximately the entire cell height for a channel formed in the frame for electrolyte supply or removal, channel cross-sections with a favorable height/width ratio can be achieved.
  • the width of the shunt channel may correspond to at least 80% and a maximum of 400% of its height, which includes a square channel cross section. If the channel has a width and/or height that varies over its length, the values mentioned refer to the channel cross-section, which is given in the middle of the channel, i.e. is equidistant from the start and end of the channel.
  • the shunt channel extends, for example, over a height that corresponds to at least 70% and at most 95% of the height of the electrochemical cell.
  • the shunt channels are formed by zones of increased frame height, with a zone of increased frame height within the cell stack bordering a zone of reduced frame height of an adjacent frame.
  • a channel through opening can be formed, which is aligned orthogonally to the plane in which the frame lies.
  • the entirety of aligned channel through-openings represents a main channel as a supply or disposal channel, through which all redox flow cells can be supplied with electrolyte solution, or which serves to drain electrolyte solution from all redox flow cells.
  • a curved section of the shunt channel can adjoin the channel through opening, also within the zone of increased frame height, the curved section being selected from a set of channel shapes, which includes channels in a meander shape, a zigzag shape and a spiral shape. Channel shapes that describe rectangular, circular or oval patterns are also conceivable.
  • the shunt channels arranged on the Posolyt side and Negolyt side are preferably designed in such a way that they do not overlap - when viewed from above on the frame.
  • a plurality of distribution channels located outside the zone of increased frame height can connect to the curved section and open into the active field. The distribution channels can fan out towards the active field, whereby each distribution channel can have straight sections or an overall straight shape, in contrast to the shunt channel located in the zone of increased frame height.
  • Plastic which is designed to be electrically insulating, is particularly suitable as a material for producing the frame.
  • the frame channel has no contact with an electrode of the redox flow cell, which prevents electrical short circuits between the frame channel and the electrode or the beginning and end of the frame channel.
  • the electrode can be, for example, a so-called battery felt, a structured graphite electrode or a metallic electrode, in particular made of three-dimensionally structured sheet metal.
  • FIG. 1 shows a frame for a cell stack of a redox flow converter
  • FIG. 2 shows a detail of a plurality of frames according to FIG. 1 in an exploded view
  • FIG. 3 shows a detail of the frame according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a section of the arrangement according to FIG. 2 in a sectional view
  • FIGS. 1 to 4 shows a detail of a redox flow converter comprising several frames according to FIGS. 1 to 4,
  • Fig. 6 shows an alternative embodiment of a frame for a redox flow
  • FIG. 7 and 8 show a modified embodiment of a frame for a cell stack of a redox flow converter, 9 and 10 further embodiments of frames for redox flow converters,
  • FIG. 11 shows a schematic representation in cross section of the structure of electrochemical cells, i.e. redox flow cells, and frames in a redox flow converter,
  • a redox flow converter marked overall with the reference number 1, is constructed from a large number of electrochemical cells 3, which are present as a cell stack 2.
  • Each cell 3 comprises two half-cells 4, 5, which are separated from one another by a proton-permeable membrane 7.
  • the electrochemical cell 3, that is, redox flow cell is delimited by flat electrodes 8, which are designed as bipolar plates.
  • the cell stack 2 comprises a large number of frames 6, the narrow sides of which are designated 9 and the long sides of which are designated 10.
  • the frames 6 enclose active fields 11 within the redox flow converter 1, in which the desired electrochemical reactions take place.
  • Distribution panels for supplying and discharging electrolyte solutions are designated 12.
  • circumferential seals 13 are provided, among other things.
  • each electrochemical cell 3 is divided uniformly into the heights H4, Hs of the half cells 4, 5 in the exemplary embodiments.
  • Each frame 6 has a frame area 14 of medium height, the cell height Hs essentially corresponding to twice the said average height.
  • the frames 6 each form zones 15 of increased frame height and zones 16 of reduced frame height.
  • the zones 16 of reduced frame height have degenerated into recesses, that is, frame zones with zero height.
  • the outer contours of each zone 15 of increased frame height correspond to the contours ren of an associated recess 16. This makes it possible to stack a large number of identical shaped frames 6 alternately on top of one another in a first orientation and in an orientation rotated or mirrored by 180 °.
  • a frame channel 19 is formed, which is also referred to as a shunt channel and starts from a channel through-opening 18 which passes through all frames 6.
  • the frame channel 19 comprises a curved channel section 20, which can have a meandering shape ( Figures 1 to 5, Figures 7, 8, Figure 12).
  • the channel section 20 is adjoined by several distribution channels 21, which overall describe a fanning out pattern and can be attributed to the frame area 14 of medium height.
  • the distribution channels 21 are already located in the distribution field 12.
  • the height of the distribution channels 21 is therefore limited to the height H4, Hs of a half cell 4, 5.
  • the height H of the frame channel 19 in all exemplary embodiments exceeds the height H4, Hs of an individual half cell 4, 5.
  • the length of the frame channel 19 is generally indicated by L.
  • An upward limit on the height H is only given by the total height H3 of each electrochemical cell 3.
  • the maximum available height H3 is, for example, approximately 90% utilized by the height H of the frame channel 19.
  • the width B of the frame channel 19 is, for example, at least 80% and at most 400% of the height H of the same frame channel 19.
  • the channel shape according to FIGS. 12 and 13 is given, for example, in the embodiments according to FIGS. 9 and 10, in which the channel sections 20 are only partially recognizable. 4 and 5, a surface of the zone 15 of increased frame height, structured by the channel section 20, which protrudes from the frame region 14 of medium height of the same frame 6 and is referred to as the top of the zone 15 in question without limiting generality, contacts the back a zone 15 of the next but one frame 6 within the cell stack 2. Rubber coatings 17, which are located as seals on the zones 15, reproduce the shape of the curved channel sections 20.
  • the frames 6 according to FIGS. 7 to 10 can also be stacked on one another within a cell stack 2.
  • a groove for inserting a seal is designated 22.
  • any border of the recesses 16 is missing, so that the outer rectangular shape of the frame 6 is modified by the recesses 16 that are open on the outside.
  • the channel cross-section shown in Figure 13 or other possible channel cross-sections is concerned, only the cross-sectional area is decisive for the electrical resistance, regardless of the given height-width ratio.
  • the height-width ratio for the same area is relevant for the fluidic resistance based on fluid viscosity.
  • the wide and flat channel cross-section shown is - caused by the restriction of a low frame height - thus, in terms of the sum of its properties, it is less favorable than a square or almost square channel with the same cross-section, but is advantageous in comparison to an even flatter, wider channel cross-section.
  • the design of the frame channel 19 represents a compromise that takes into account electrical engineering aspects as well as fluid engineering aspects and installation space limitations. Reference character list

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Abstract

Ein Redox-Flow-Konverter (1 ) umfasst mehrere in Form eines Zellenstapels (2) angeordnete Redox-Flow-Zellen (3), wobei jede Redox-Flow-Zelle (3) aus zwei durch eine Membran (7) voneinander getrennten Halbzellen (4, 5) gebildet ist, so dass die Höhe (Hs) einer jeden Redox-Flow-Zelle (3) durch die Höhen (H4, Hs) ihrer Halbzellen (4, 5) gegeben ist, wobei Rahmen (6) existieren, welche die Membranen (7) umgeben, und wobei in den Rahmen (6) an Aktivfelder (11 ) und Elektroden (8) der Halbzellen (4, 5) angeschlossene Shunt-Kanäle (19) ausgebildet sind. Die Höhe (H) der Shunt-Kanäle (19) übersteigt eine einzelne Halbzellenhöhe (H4, Hs), ist jedoch geringer als die Höhe (Hs) einer jeden Redox-Flow-Zelle (3).

Description

Redox-Flow-Konverter
Die Erfindung betrifft einen in Stapelform aufgebauten Redox-Flow-Konverter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Ein gattungsgemäßer Redox-Flow-Konverter ist zum Beispiel aus der EP 3 545 566 B1 bekannt. Ein Rahmen einer porösen Elektrode des bekannten Redox-Flow- Konverters weist Kanäle für ein elektrochemisches Fluid auf. Die Kanäle liegen in Form eines Versorgungskanals und eines Abführkanals vor und münden jeweils an einer Seitenfläche der Elektrode. Der Rahmen der Anordnung nach der EP 3 545 566 B1 ist mehrteilig, nämlich aus einem oberen Rahmen und einem unteren Rahmen, aufgebaut, wobei jeder der beiden Rahmen eine Elektrode aufnimmt und die Elektroden durch eine Membran voneinander getrennt sind. Versorgungs- und Abführkanäle sind sowohl durch den oberen Rahmen als auch durch den unteren Rahmen ausgebildet. Ferner stellt sowohl der obere als auch der untere Rahmen Raum zur Aufnahme einer Dichtung, welche in Kontakt mit der Membran ist, bereit.
Die DE 10 2021 111 054 B3 beschreibt eine Redox-Flow-Zelle sowie ein Verfahren zur Montage eine Redox-Flow-Batterie. Der Redox-Flow-Zelle ist ein Elektrodenmodul zuzurechnen, welches einen Elektrodenrahmen mit einer auf seinem inneren Umfang angeordneten, um laufenden Dichtung aufweist. Diese Dichtung wiederum weist einen Halterahmen auf, an welchem eine Schnappnase zur Aufnahme einer Elektrode ausgebildet ist. Mit dem Elektrodenmodul der Redox-Flow-Zelle nach der DE 10 2021 111 054 B3 ist ein Membranmodul verbunden, welches einen Membranrahmen und eine Membran umfasst.
Redox-Flow-Zellen zeichnen sich im Allgemeinen, im Unterschied zu üblichen Akkumulatoren, dadurch aus, dass sie von Elektrolyten durchströmt sind. Die Elektrolyte können in separaten Tanks bereitgestellt werden, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, Leistung und Kapazität unabhängig voneinander zu skalieren. Damit können Re- dox-Flow-Systeme unter anderem als großdimensionierte Energiespeicher konzipiert werden. Unter einem Redox-Flow-Konverter wird die typischerweise als Zellenstapel aufgebaute Anordnung elektrochemischer Zellen, das heißt Redox-Flow-Zellen, verstanden, welche die Kernkomponente einer Redox-Flow-Batterie darstellt.
Bei der Konzeption eines Redox-Flow-Systems sind sowohl fluidtechnische als auch elektrotechnische und elektrochemische Aspekte zu berücksichtigen. In fluidtechnischer Hinsicht sind kurze gerade Strömungswege für die Elektrolytlösungen zu bevorzugen. Auf der anderen Seite entstehen im Zellenstapel aufgrund gegebener Spannungsdifferenzen elektrische Ströme, sogenannte Shunt-Ströme, in den Elektrolytlösungen, die als parasitäre Ströme die Effizienz des Redox-Flow-Konverters mindern. Von daher wären lange Wege, die von den Elektrolytlösungen zu durchströmen sind, von Vorteil. Insgesamt ist somit ein Zielkonflikt zwischen strömungstechnischer Optimierung einerseits und elektrotechnischer Optimierung andererseits gegeben.
Als Mittel, mit welchen den verschiedenen, teils gegensätzlichen Anforderungen, die an Redox-Flow-Konverter gestellt werden, zugleich Rechnung getragen werden soll, sind gezielte Verlängerungen von Kanälen, insbesondere innerhalb rahmenförmiger Bauteile, prinzipiell bekannt. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente US 2020/0220194 A1 , US 9,653,746 B2, EP 1 119 880 B1 und WO 2021/090976 A1 hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Redox-Flow-Konverter, welche beispielsweise mit organischen Elektrolyten betreibbar sind, gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich des Zielkonfliktes zwischen strömungstechnischen und elektrotechnischen Anforderungen weiterzuentwickeln, wobei zugleich ein kompakter, fertigungsfreundlicher Aufbau des Redox-Flow-Konverters gegeben sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Redox-Flow-Konverter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Der anmeldungsgemäße Redox-Flow-Konverter umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Mehrzahl in Form eines Zellenstapels angeordneter Redox-Flow-Zellen, wobei jede Redox-Flow-Zelle aus zwei durch eine Membran voneinander getrennten Halbzellen gebildet ist, so dass die Höhe einer jeden Redox-Flow-Zelle durch die Höhen ihrer Halbzellen gegeben ist, wobei Rahmen existieren, welche die Membranen umgeben, und wobei in den Rahmen an Aktivfelder der Halbzellen angeschlossene Shunt-Kanäle ausgebildet sind. Anmeldungsgemäß übersteigt die Höhe eines Shunt-Kanals, welcher allgemein auch als Rahmenkanal bezeichnet wird, die Höhe einer einzelne Halbzelle. Zugleich ist die Höhe des Mäanderkanals oder sonstigen Shunt-Kanals geringer als die Höhe einer jeden Redox-Flow-Zelle, das heißt geringe als die Summe der Höhen beider Halbzellen.
Der angesprochene Zielkonflikt zwischen strömungstechnischer und elektrotechnischer Anforderung wird insbesondere dadurch gemindert, dass bei einem flachen Kanal eine Vergrößerung der Höhe strömungstechnisch vorteilhafter ist als elektrotechnisch nachteilig. Bei der Variation anderer Kanalabmessungen (Länge, Breite) ist dagegen tendenziell eine Kompensation von strömungstechnischen Vorteilen und elektrotechnischen Nachteilen zu erwarten.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aufgrund des plattenförmigen Aufbaus der einzelnen Zellen des Redox-Flow-Konverters typischerweise eine große Breite für die Freihaltung von Kanälen zur Verfügung steht, wogegen in Richtung der Zellenhöhe engere Grenzen gesetzt sind. Die Zellenhöhe ist hierbei in Stapelrichtung des Zellenstapels, bei horizontal ausgerichteten, im Wesentlichen flächigen Zellen also in vertikaler Richtung, zu messen. Auf Basis dieser Überlegung könnten Kanalquerschnitte für Elektrolyte praktisch beliebig vergrößert werden, indem ein großer Teil der Breite der Rahmen ausgenutzt wird. Somit ergäben sich auch bei geringer Rahmenhöhe große Kanalquerschnitte. Die Kanalhöhe könnte dabei auf die Halbzellenhöhe begrenzt bleiben.
Die anmeldungsgemäße Lösung entfernt sich bewusst von diesem Ansatz, indem die Kanalhöhe die mittlere Halbzellenhöhe sprengt, wobei durch die Limitierung der Kanalhöhe auf die gesamte Zellenhöhe zugleich ein kompakter und fertigungstechnisch günstiger Aufbau gegeben bleibt.
Der Redox-Flow-Konverter ist unter anderem mit an sich bekannten Vanadium- Elektrolyten betreibbar. Unabhängig von der Art der Elektrolyt-Lösungen sind durch die Ausnutzung näherungsweise der gesamten Zellhöhe für einen im Rahmen ausgebildeten Kanal zur Elektrolytzuführung oder -abführung Kanalquerschnitte mit einem günstigen Höhen-/Breitenverhältnis realisierbar. Zum Beispiel kann die Breite des Shunt-Kanals mindestens 80% und maximal 400% dessen Höhe entsprechen, was einen quadratischen Kanalquerschnitt einschließt. Sollte der Kanal eine über seine Länge veränderliche Breite und/oder Höhe aufweisen, so beziehen sich die genannten Werte auf den Kanalquerschnitt, welcher in der Kanalmitte gegeben ist, das heißt gleich weit vom Kanalanfang und Kanalende entfernt ist. In der Höhe erstreckt sich der Shunt-Kanal beispielsweise über eine Höhe, die mindestens 70% und höchstens 95% der Höhe der elektrochemischen Zelle entspricht.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen sind die Shunt-Kanäle durch Zonen erhöhter Rahmenhöhe gebildet, wobei innerhalb des Zellenstapels jeweils eine Zone erhöhter Rahmenhöhe an eine Zone reduzierter Rahmenhöhe eines benachbarten Rahmens grenzt. Dies schließt Bauformen ein, bei welchen die Rahmenhöhe in der Zone reduzierter Rahmenhöhe Null beträgt, also im Rahmen ein Loch oder eine zurückgenommene Außenkontur vorliegt.
In der Zone erhöhter Rahmenhöhe kann eine Kanal-Durchgangsöffnung ausgebildet sein, welche orthogonal zur Ebene, in welcher der Rahmen liegt, ausgerichtet ist. Die Gesamtheit miteinander fluchtender Kanal-Durchgangsöffnungen stellt dabei einen Hauptkanal als Ver- oder Entsorgungskanal dar, über weichen sämtliche Redox-Flow- Zellen mit Elektrolytlösung versorgbar sind, beziehungsweise welcher der Ableitung von Elektrolytlösung aus sämtlichen Redox-Flow-Zellen dient.
An die Kanal-Durchgangsöffnung kann sich, ebenfalls innerhalb der Zone erhöhter Rahmenhöhe, ein gekrümmter Abschnitt des Shunt-Kanals anschließen, wobei der gekrümmte Abschnitt aus einer Menge an Kanalformen ausgewählt ist, die Kanäle in Mäanderform, Zick-Zack-Form sowie Spiralform umfasst. Ebenso sind Kanalformen denkbar, die rechteckige, kreisförmige oder ovale Muster beschreiben. In allen Fällen sind die auf Posolyt-Seite und Negolyt-Seite angeordneten Shunt-Kanäle vorzugsweise derart gestaltet, dass sie sich - in Draufsicht auf den Rahmen - nicht überdecken. An den gekrümmten Abschnitt wiederum kann eine Mehrzahl außerhalb der Zone erhöhter Rahmenhöhe befindlicher Verteilerkanäle anschließen, welche im Aktivfeld münden. Die Verteilerkanäle können sich hierbei zum Aktivfeld hin auffächern, wobei jeder Verteilerkanal im Unterschied zum in der Zone erhöhter Rahmenhöhe liegenden Shunt-Kanal gerade Abschnitte oder eine insgesamt gerade Form aufweisen kann.
Als Material zur Herstellung des Rahmens kommt insbesondere Kunststoff in Betracht, der elektrisch isolierend ausgebildet ist. Der Rahmenkanal hat keinen Kontakt zu einer Elektrode der Redox-Flow-Zelle, womit elektrische Kurzschlüsse zwischen dem Rahmenkanal und der Elektrode beziehungsweise dem Anfang und Ende des Rahmenkanals verhindert werden. Bei der Elektrode kann es sich zum Beispiel um einen sogenannten Batterie-Filz, um eine strukturierte Graphit-Elektrode oder um eine metallische Elektrode, insbesondere aus dreidimensional strukturiertem Blech, handeln.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Rahmen für einen Zellenstapels eines Redox-Flow-Konverters,
Fig. 2 ausschnittsweise eine Mehrzahl an Rahmen nach Figur 1 in Explosionsdarstellung,
Fig. 3 ein Detail des Rahmens nach Figur 1 ,
Fig. 4 ausschnittsweise die Anordnung nach Figur 2 in geschnittener Darstellung,
Fig. 5 eine Einzelheit eines mehrere Rahmen nach den Figuren 1 bis 4 umfassenden Redox-Flow-Konverters,
Fig. 6 eine alternative Ausgestaltung eines Rahmens für einen Redox-Flow-
Konverter,
Fig. 7 und 8 eine modifizierte Ausführungsform eines Rahmens für einen Zellenstapel eines Redox-Flow-Konverters, Fig. 9 und 10 weitere Ausführungsformen von Rahmen für Redox-Flow-Konverter,
Fig. 11 in schematischer Darstellung im Querschnitt den Aufbau elektrochemischer Zellen, das heißt Redox-Flow-Zellen, sowie Rahmen in einem Redox-Flow-Konverter,
Fig. 12 und 13 geometrische Merkmale eines in einem Rahmen eines Zellenstapels verlaufenden Kanals.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Redox-Flow-Konverter ist aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen 3 aufgebaut, die als Zellenstapel 2 vorliegen. Jede Zelle 3 umfasst zwei Halbzellen 4, 5, die durch eine protonendurchlässige Membran 7 voneinander getrennt sind. Die elektrochemische Zelle 3, das heißt Re- dox-Flow-Zelle, ist durch flächige Elektroden 8, welche als Bipolarplatten ausgebildet sind, begrenzt. Der Zellenstapel 2 umfasst eine Vielzahl an Rahmen 6, deren Schmalseiten mit 9 und deren Längsseiten mit 10 bezeichnet sind. Die Rahmen 6 umschließen innerhalb des Redox-Flow-Konverters 1 Aktivfelder 11 , in welchen die gewünschten elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Verteilerfelder zur Zu- und Abführung von Elektrolytlösungen sind mit 12 bezeichnet. Zur Abdichtung sind unter anderem umlaufende Dichtungen 13 vorgesehen.
Die mit Hs bezeichnete Höhe einer jeder elektrochemischen Zelle 3 ist in den Ausführungsbeispielen gleichförmig auf die Höhen H4, Hs der Halbzellen 4, 5 aufgeteilt. Jeder Rahmen 6 weist einen Rahmenbereich 14 mittlerer Höhe auf, wobei die Zellenhöhe Hs im Wesentlichen dem Doppelten der genannten mittleren Höhe entspricht. Zusätzlich zu den Rahmenbereichen 14 mittlerer Höhe sind durch die Rahmen 6 jeweils Zonen 15 erhöhter Rahmenhöhe und Zonen 16 reduzierter Rahmenhöhe gebildet. In den Ausführungsbeispielen sind die Zonen 16 reduzierter Rahmenhöhe zu Aussparungen, das heißt Rahmenzonen mit Höhe Null, entartet. In Draufsicht auf den Rahmen 6 entsprechen die Außenkonturen einer jeden Zone 15 erhöhter Rahmenhöhe den Kontu- ren einer zugehörigen Aussparung 16. Damit ist es möglich, eine Vielzahl identische geformter Rahmen 6 alternierend in einer ersten Ausrichtung und in einer hierzu um 180° gedrehten oder gespiegelten Ausrichtung aufeinander zu stapeln.
In den Zonen 15 erhöhter Rahmenhöhe ist jeweils ein Rahmenkanal 19 ausgebildet, der auch als Shunt-Kanal bezeichnet wird und von einer Kanal-Durchgangsöffnung 18 ausgeht, die sämtliche Rahmen 6 durchzieht. Mittels des Rahmenkanals 19 wird ein Weg, den ein Elektrolyt zu fließen hat, gezielt verlängert, um elektrische Verluste zu minimieren. Der Rahmenkanal 19 umfasst einen gekrümmten Kanalabschnitt 20, welcher eine Mäanderform (Figur 1 bis 5, Figur 7, 8, Figur 12) aufweisen kann. An den Kanalabschnitt 20 schließen sich mehrere Verteilerkanäle 21 an, welche insgesamt ein sich auffächerndes Muster beschreiben und dem Rahmenbereich 14 mittlerer Höhe zuzurechnen sind. Die Verteilerkanäle 21 liegen, anders als der Rahmenkanal 19, bereits im Verteilerfeld 12. Damit ist die Höhe der Verteilerkanäle 21 auf die Höhe H4, Hs einer Halbzelle 4, 5 beschränkt.
Diese Beschränkung gilt, wie insbesondere aus Figur 11 hervorgeht, nicht für die mit H bezeichnete Höhe des Rahmenkanals 19. Vielmehr übertrifft die Höhe H des Rahmenkanals 19 in allen Ausführungsbeispielen die Höhe H4, Hs einer einzelnen Halbzelle 4, 5. Die Länge des Rahmenkanals 19 ist allgemein mit L angegeben. Eine Beschränkung der Höhe H nach oben ist lediglich durch die Gesamthöhe H3 einer jeden elektrochemischen Zelle 3 gegeben. Die maximal zur Verfügung stehende Höhe H3 wird durch die Höhe H des Rahmenkanals 19 beispielsweise zu circa 90 % ausgeschöpft. Im Vergleich zu denkbaren Kanälen, die ausschließlich innerhalb der Höhe H4, Hs einer einzelnen Halbzelle 4, 5 liegen, ist damit ein deutlich günstigeres Höhen- /Breitenverhältnis H/B des Rahmenkanals 19 erreichbar. Die Breite B des Rahmenkanals 19 beträgt zum Beispiel mindestens 80 % und höchstens 400 % der Höhe H desselben Rahmenkanals 19. Die Kanalform nach den Fig. 12 und 13 ist beispielsweise bei den Ausführungsformen nach den Fig. 9 und 10 gegeben, bei welchen die Kanalabschnitte 20 nur ansatzweise erkennbar sind. In den Anordnungen nach den Figuren 4 und 5 kontaktiert eine durch den Kanalabschnitt 20 strukturierte Oberfläche der Zone 15 erhöhter Rahmenhöhe, welche aus dem Rahmenbereich 14 mittlerer Höhe desselben Rahmens 6 herausragt und ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Oberseite der betreffenden Zone 15 bezeichnet wird, die Rückseite einer Zone 15 des übernächsten Rahmens 6 innerhalb des Zellenstapels 2. Gummierungen 17, welche sich als Dichtungen auf den Zonen 15 befinden, bilden die Form der gekrümmten Kanalabschnitte 20 nach.
In der beschriebenen Weise sind auch die Rahmen 6 nach den Figuren 7 bis 10 innerhalb eines Zellenstapels 2 aufeinander stapelbar. Eine Nut zum Einlegen einer Dichtung ist mit 22 bezeichnet. Im Fall von Figur 10 fehlt jegliche Umrandung der Aussparungen 16, sodass die äußere Rechteckform des Rahmens 6 durch die außen offenen Aussparungen 16 modifiziert ist.
Was den in Figur 13 dargestellten Kanalquerschnitt oder auch andere mögliche Kanalquerschnitte betrifft, ist für den elektrischen Widerstand ungeachtet des gegebenen Höhen-Breitenverhältnisses ausschließlich die Querschnittsfläche entscheidend. Für den strömungstechnischen, auf Fluidviskosität basierenden Widerstand ist allerdings das Höhen-Breitenverhältnis bei gleicher Fläche relevant. Der dargestellte, breite und flache Kanalquerschnitt ist - verursacht durch die Restriktion geringer Rahmenhöhe - somit in der Summe der Eigenschaften zwar ungünstiger als ein quadratischer oder annähernd quadratischer Kanal mit gleichem Querschnitt, jedoch vorteilhaft im Vergleich zu einem noch flacheren, breiteren Kanalquerschnitt. Insgesamt stellt die Gestaltung des Rahmenkanals 19 einen Kompromiss dar, der elektrotechnische Aspekte ebenso wie strömungstechnische Aspekte und Bauraumbegrenzungen berücksichtigt. Bezuqszeichenliste
1 Redox-Flow-Konverter
2 Zellenstapel
3 Elektrochemische Zelle
4 Halbzelle
5 Halbzelle
6 Rahmen
7 Membran
8 Elektrode
9 Schmalseite des Rahmens
10 Längsseite des Rahmens
11 Aktivfeld
12 Verteilerfeld
13 Dichtung, umlaufend
14 Rahmenbereich mittlerer Höhe
15 Zone erhöhter Rahmenhöhe
16 Zone reduzierter Rahmenhöhe, Aussparung
17 Dichtung, Gummierung
18 Kanal-Durchgangsöffnung
19 Rahmenkanal, Shunt-Kanal
20 gekrümmter Kanalabschnitt, Mäander, Spirale
21 Verteilerkanal
22 Nut
B Breite
H Kanalhöhe
H3 Höhe der elektrochemischen Zelle
H4, HS Höhe einer Halbzelle
Länge

Claims

Patentansprüche Redox-Flow-Konverter (1 ), mit einer Mehrzahl in Form eines Zellenstapels (2) angeordneter Redox-Flow-Zellen (3), wobei jede Redox-Flow-Zelle (3) aus zwei durch eine Membran (7) voneinander getrennten Halbzellen (4, 5) gebildet ist, so dass die Höhe (Hs) einer jeden Redox-Flow-Zelle (3) durch die Höhen (H4, Hs) ihrer Halbzellen (4, 5) gegeben ist, wobei Rahmen (6) existieren, welche die Membranen (7) umgeben, und wobei in den Rahmen (6) an Aktivfelder (11 ) und Elektroden (8) der Halbzellen (4, 5) angeschlossene Shunt-Kanäle (19) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) der Shunt- Kanäle (19) eine einzelne Halbzellenhöhe (H4, Hs) übersteigt, jedoch geringer als die Höhe (Hs) einer jeden Redox-Flow-Zelle (3) ist. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Shunt-Kanäle (19) durch Zonen (15) erhöhter Rahmenhöhe gebildet sind, wobei innerhalb des Zellenstapels (2) jeweils eine Zone (15) erhöhter Rahmenhöhe an eine Zone (16) reduzierter Rahmenhöhe eines benachbarten Rahmens (6) grenzt. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenhöhe in der Zone (16) reduzierter Rahmenhöhe Null beträgt. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zone (15) erhöhter Rahmenhöhe eine Kanal-Durchgangsöffnung
(18) ausgebildet ist, welche zumindest näherungsweise in Normalrichtung zur Ebene, in welcher der Rahmen (6) liegt, ausgerichtet ist, so dass ein den gesamten Zellenstapel (2) durchziehender Kanal gebildet ist. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an die Kanal-Durchgangsöffnung (18) innerhalb der Zone (15) erhöhter Rahmenhöhe ein gekrümmter Abschnitt (20) des Shunt-Kanals
(19) anschließt, wobei der gekrümmte Abschnitt (20) aus einer Menge an Kanalformen ausgewählt ist, die Kanäle in Mäanderform, Zick-Zack-Form sowie Spiralform umfasst. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den gekrümmten Abschnitt (20) eine Mehrzahl außerhalb der Zone (15) er- höhter Rahmenhöhe befindlicher, sich auffächernder, im Aktivfeld (11 ) mündender Verteilerkanäle (21 ) anschließt. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich flächige Elektroden (8) des Zellenstapels (2) weder in die Zonen (15) erhöhter Rahmenhöhe noch in die Zonen (16) reduzierter Rahmenhöhe hinein erstrecken. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Shunt-Kanal (19) über eine Höhe (H) erstreckt, die mindestens 70% und höchstens 95% der Höhe (Hs) der elektrochemischen Zelle (3) entspricht. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des Shunt-Kanals mindestens 80% und maximal 400% dessen Höhe (H) entspricht. Redox-Flow-Konverter (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass aufeinanderliegende Rahmen (6) identisch geformt und in um 180° gegeneinander verdrehter Ausrichtung aufeinandergestapelt sind.
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