EP4639652A1 - Elektrochemischer reaktor und verfahren zum betreiben eines elektrochemischen reaktors - Google Patents

Elektrochemischer reaktor und verfahren zum betreiben eines elektrochemischen reaktors

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EP4639652A1
EP4639652A1 EP23817689.5A EP23817689A EP4639652A1 EP 4639652 A1 EP4639652 A1 EP 4639652A1 EP 23817689 A EP23817689 A EP 23817689A EP 4639652 A1 EP4639652 A1 EP 4639652A1
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EP
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bipolar plate
oscillator
bipolar
electrochemical reactor
cell
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Application number
EP23817689.5A
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Jan GIRSCHIK
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • Electrochemical reactor and method for operating an electrochemical reactor are Electrochemical reactor and method for operating an electrochemical reactor
  • the invention relates to an electrochemical reactor, in particular a redox flow battery, fuel cell, electrolyzer or electrosynthesis cell, with a cell stack made up of a plurality of cells separated from one another by at least one bipolar plate and stacked in a stacking direction, wherein the cells each have two electrodes and a separator arranged between the two electrodes and wherein the at least one bipolar plate is designed to be flexible.
  • the invention further relates to a method for operating an electrochemical reactor.
  • Electrochemical reactors are known in various designs. Redox reactions take place in electrochemical reactors, and these reactions can be driven by an externally applied voltage difference, as is the case when charging a redox flow battery or when operating an electrolyzer or an electrosynthesis cell.
  • electrolyzer a chemical reaction in the form of electrolysis is carried out with the help of an electric current to produce a product, for example in the form of hydrogen.
  • electrosynthesis cell electrochemical synthesis processes take place when the cell is subjected to a voltage.
  • hydrogen peroxide can be synthesized from oxygen and water and organic basic chemicals from carbon dioxide and water in electrosynthesis cells.
  • the redox reactions taking place in the electrochemical reactor can also be used to generate an electrical voltage. This is the case, for example, when discharging a redox flow battery or operating a fuel cell.
  • the electrochemical reactors of the type mentioned are usually made up of a number of electrochemical cells, in each of which the corresponding redox reaction takes place.
  • the individual cells of a battery are often arranged in a row or stacked on top of each other. In this context, this is also referred to as a cell stack.
  • cell stacks make it easy to provide a higher voltage or a higher product flow of the product to be manufactured.
  • Corresponding cell stacks and their uses have been known for a long time and from a wide variety of applications, which is why there is no need to go into them in detail here.
  • the individual electrochemical cells are made up of half-cells that comprise electrodes that are separated from one another by a separator.
  • the electrodes and the separator of a cell are integrated in an interior space that can be provided by at least one cell frame. If required, a cell can also have several cell frames, for example one cell frame per half-cell of the electrochemical cell.
  • the electrodes, the at least one cell frame and the separator are provided at least substantially parallel to one another. This results in a layering that extends in a so-called stacking direction.
  • the individual cells of a cell stack can be separated from one another by so-called bipolar plates.
  • An anode and a cathode of adjacent cells are usually located on the opposite sides of the bipolar plates.
  • the anode and the cathode are typically each in direct, electrically conductive contact with the at least one bipolar plate arranged between them.
  • the cell frames and the bipolar plates are typically made of different materials, although for cost and manufacturing reasons, cell frames and bipolar plates that comprise at least one thermoplastic material are sometimes used.
  • the bipolar plates often have an electrically conductive material in addition to the thermoplastic material.
  • conductive filler for example in the form of fine particles such as graphite or soot.
  • the separator can have an electrolyte required for the operation of the electrochemical reactor, wherein the separator can have an open-pored porous structure in which a liquid electrolyte can be accommodated.
  • the electrodes are in contact with the electrolytes, wherein the electrolytes and the electrodes of a cell are separated by the separator, for example in the form of a membrane.
  • Separators that accommodate an electrolyte can be used in fuel cells, such as polymer electrolyte fuel cells (PEM) or solid oxide fuel cells (SOFC), while electrolytes separated by the separator, for example in the form of a membrane, can be used in redox flow batteries through which flow flows. In the case of redox flow batteries, the electrolytes can at least partially flow through the electrodes.
  • PEM polymer electrolyte fuel cells
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • the separator itself can provide the electrolyte, as is the case in a polymer electrolyte fuel cell or a solid oxide fuel cell.
  • the separator is divided into two parts, with a hydrogen-containing gas flowing through one part of the separator and an oxygen-containing gas flowing through the other part of the separator.
  • the transfer of gases from one part of the separator to the other part of the separator is prevented by a membrane, which, however, allows the transfer of charge carriers.
  • the entirety of the two parts of the separator and the membrane can be understood as the separator between the electrodes.
  • the exact structure of the separator is only of limited importance in connection with the invention.
  • the membrane In the case of a polymer electrolyte fuel cell, the membrane consists of a solid polymer, while in a solid oxide fuel cell an oxide-ceramic electrolyte is used.
  • other fuel cells may also use other membranes or may not use membranes at all.
  • electrochemical reactors in the form of fuel cells also require a fluid. These are working fluids in the form of gases containing hydrogen or oxygen flowing through the separator in the anode chamber and the separator in the cathode chamber. Consequently, care must be taken with electrochemical reactors to ensure that no undesirable fluid escapes, such as leaks, during operation. It is initially irrelevant whether the fluid is an electrolyte or a working fluid.
  • Mass transport and a homogeneous distribution of substances in the cells are also very important for the efficiency of the electrochemical reactors.
  • deposits of solids or fluids as well as air inclusions can occur in the cells, which can hinder the transport of substances and thus lead to electrochemical dead zones.
  • the dead zones make little or no contribution to the electrochemical reactions in the cell.
  • the deposits can have a negative impact on the service life of the cells.
  • the present invention is based on the object of designing and developing the electrochemical reactor and the method of the type mentioned at the outset and explained in more detail above in such a way that the mass transport and the material distribution can be increased with little construction and equipment expenditure and with little material stress.
  • the oscillator causes at least one bipolar plate to oscillate.
  • a cell stack with at least one flexible bipolar plate is used, which can be set into vibration without great effort and without excessive loads on the bipolar plate. Due to the flexibility of the bipolar plate, it cannot break despite the vibrations, even if vibrations with high amplitudes are generated. Furthermore, the bipolar plate can also be set into vibration easily, which only requires small forces. In addition, the vibrations are only partially to adjacent components, which can thus be protected from excessive mechanical stress. Last but not least, targeted deformation of the bipolar plates is also possible due to the flexibility provided, which can specifically counteract deposits and air inclusions.
  • the corresponding bipolar plate does not have to be set into vibration continuously, although this may be possible and may also be preferred.
  • the method provides for the at least one bipolar plate to be set into vibration at least in phases. For example, vibration of the at least one bipolar plate can be stimulated every now and then or at regular intervals in order to dissolve deposits or air inclusions that build up and to flush them out of the affected half-cell. If the vibrations are generated at least essentially continuously, it may be possible to prevent the deposits or air inclusions from forming at all.
  • a cell stack can typically have a whole series of bipolar plates and that an oscillator does not have to be integrated into each of these bipolar plates. If necessary, the equipment and construction effort can be kept to a minimum by integrating an oscillator into no more bipolar plates than necessary or by causing no more bipolar plates to oscillate than necessary.
  • different bipolar plates are set into oscillation at different times, for example one after the other. If individual bipolar plates cannot be caused to oscillate themselves, then it is advisable to make neighboring or not far away bipolar plates oscillate so that the oscillation of at least one bipolar plate can be transferred to at least one other bipolar plate or at least one other cell.
  • the oscillator is preferably the component that can generate the oscillations of the bipolar plate. However, the oscillations of the bipolar plate can still be induced, i.e. excited, from the outside.
  • An actuator is therefore preferably provided outside the actual cell stack, which excites the oscillator in the at least one bipolar plate to oscillate. Since the oscillator is integrated in the bipolar plate, oscillation of the oscillator leads directly to oscillation of the bipolar plate. In this respect, no actuator is required that has to be in external contact with the bipolar plate and would otherwise not be required for the operation of the cell stack.
  • the vibrations generated by at least one oscillator are ultrasonic vibrations.
  • Ultrasonic vibrations can have frequencies between 20 kHz and 20 GHz. However, other frequencies are also possible.
  • the oscillator is formed by at least one flexoelectric plastic, at least one hydrogel, at least one shape memory polymer, at least one piezoelectric and/or at least one magnetostrictive material. This allows a simple and at the same time effective integration of the oscillator into the bipolar plate without significantly impairing its electrical function.
  • Flexoelectric plastics such as PVDF
  • PVDF are dielectric plastics that form a polarization in the plastic when subjected to mechanical stress and vice versa. This makes it possible to bend or deform components made at least partially from flexoelectric plastics, such as bipolar plates, at least slightly by applying an electrical voltage.
  • the bipolar plate does not have to be made entirely from flexoelectric plastics. It can be sufficient if the flexoelectric plastics make up part of the bipolar plate.
  • the bipolar plate can then If required, they may also contain a thermoplastic material and an electrically conductive filler.
  • Hydrogels are water-binding and water-insoluble polymers that form a gel. Water absorption can occur physically or chemically. Hydrophilic polymer components such as sodium polyacrylate or polyaxamers built into the bipolar plate can cause the bipolar plates to swell with a considerable increase in volume, as is known from so-called superabsorbents, for example. The volume of a bipolar plate can be varied by adding and removing water to the hydrogel. If this is done in a sufficiently rapid cycle, the bipolar plate can be set into vibration. If required, the bipolar plate can contain a thermoplastic and an electrically conductive filler in addition to the at least one hydrogel.
  • Shape memory polymers are particularly suitable for polymers that have a two-way memory effect, as is known from shape memory alloys.
  • shape memory polymers can be polyurethanes or block copolymers, for example.
  • the shape memory polymers can be switched from one shape to another by varying the temperature or a magnetic field.
  • the bipolar plate can only be partially made from a shape memory polymer so as not to impair its electrical and mechanical properties.
  • the bipolar plate can then also have a thermoplastic and an electrically conductive filler, for example.
  • Piezoelectric materials such as quartz, lithium niobate, gallium orthophosphate or lead zirconate titanates, show a change in electrical polarization and thus the occurrence of an electrical voltage when they are elastically deformed (direct piezoelectric effect). Conversely, materials deform when a electrical voltage (inverse piezoelectric effect). If a voltage source is applied to a bipolar plate that at least partially comprises a piezoelectric material, the bipolar plate can be deformed by varying the voltage and thus set into vibration. If a piezoelectric material is distributed throughout the bipolar plate, for example, the bipolar plate can also have a thermoplastic and an electrically conductive filler.
  • Magnetostrictive materials exhibit a property known as magnetostriction, in which the magnetostrictive material is deformed as a result of an applied magnetic field.
  • the corresponding body experiences an elastic change in length (Joule magnetostriction) at a constant volume as a result of the alignment of magnetically polar areas.
  • a bipolar plate comprising a magnetostrictive material can be set into vibration by a changing magnetic field, even if the bipolar plate is only partially made of a magnetostrictive material.
  • the bipolar plate can then also contain, for example, a thermoplastic and an electrically conductive filler.
  • bipolar plate can be distributed throughout the bipolar plate, but it can also be provided that such a material is accommodated in an interior space of the bipolar plate.
  • the bipolar plate can thus be easily excited to oscillate without the materials generating the oscillation coming into contact with the electrodes. This can also be used to simplify and/or facilitate the integration of the materials into the bipolar plate.
  • the oscillator can thus be passive itself and can be specifically activated via the activation device. Depending on the oscillator, this can be done in a simple way by switching the activation device periodic voltage changes, pressure changes and/or temperature changes of the oscillator.
  • a simple and at the same time effective bipolar plate can be provided as required by forming the oscillator by at least one inner fluid volume in the bipolar plate filled with a fluid.
  • the corresponding fluid volume is variable as a result of the elasticity of the bipolar plate as such.
  • the fluid volume is also connected to a fluid supply via at least one supply line, via which fluid can be periodically added and removed.
  • the oscillator can be provided between at least two bipolar plate parts that are electrically connected to one another.
  • the oscillator can thus be integrated into the bipolar plate as a separate component or part. It can be particularly preferred if the at least two bipolar plate parts form a bipolar cushion with an oscillator accommodated in the interior of the bipolar cushion. The oscillator is thus accommodated between the bipolar plate parts, which are conductively connected to one another and are each in electrical contact with one of the adjacent electrodes.
  • the at least one bipolar plate, the bipolar plate parts and/or the bipolar cushion are formed at least predominantly from a thermoplastic and an electrically conductive filler.
  • a thermoplastic is formed at least predominantly from polyethylene and/or polypropylene.
  • the filler may be formed at least predominantly by a carbonaceous material such as graphite, carbon black or carbon nanotubes.
  • the at least one oscillator is an integral component of the bipolar plate, the bipolar plate parts and/or the bipolar cushion.
  • the oscillator cannot therefore be omitted without this impairing the function of the bipolar plate, the bipolar plate parts and/or the bipolar cushion, even if no oscillations are to be generated.
  • the oscillator is included as a disperse phase in a continuous phase comprising a thermoplastic. This makes it possible to achieve a fairly uniform and material-friendly deformation or oscillation of the bipolar plate.
  • the electrically conductive filler can also be included as a disperse phase in the continuous phase of the at least one thermoplastic.
  • At least one bipolar plate with a high degree of elasticity can be used.
  • the bipolar plate is expedient if the bipolar plate is subjected to low or high frequency vibrations.
  • the amplitudes of the vibrations should not be too large in order to keep the material stresses low. However, a certain amplitude may be necessary in order to prevent or reduce deposits and/or air inclusions.
  • the at least one bipolar plate is designed in the form of a volume-variable bipolar cushion.
  • the volume of the bipolar plate can then be varied by supplying and removing fluid to the bipolar plate. This can generate an oscillation of the bipolar plate.
  • electrolyte can be pressed out of at least one half-cell by supplying fluid to the bipolar plate and/or electrolyte can be sucked into at least one half-cell by removing fluid from the bipolar plate.
  • an electrolyte flow can be generated in the cell stack by varying the volume of the at least one bipolar plate. This flow can even convey electrolyte through the cell stack if required.
  • a pump and/or a pressure gradient can also be provided in addition to support the flow of the electrolyte through the cell stack. However, such a pressure gradient and/or such a pump can also be dispensed with if required. Then, the transport of the at least one electrolyte through the at least one half-cell can be effected, for example, exclusively by the supply and removal of fluid into and out of the at least one bipolar plate.
  • At least one electrode of the electrochemical reactor may be brought into contact exclusively with the at least one thermoplastic material and/or with the filler of the bipolar plate.
  • the oscillator can then be provided in an area of the bipolar plate facing away from the at least one electrode.
  • Fig. 1 shows an electrochemical reactor according to the invention in a schematic sectional view transverse to the stacking direction of the cells of one cell stack
  • Fig. 2 shows a bipolar plate for use in the electrochemical reactor according to Fig. 1 in a perspective view
  • Fig. 3 shows an alternative bipolar plate for use in the electrochemical reactor according to Fig. 1 in a perspective sectional view
  • Fig. 4 shows a bipolar plate for use in the electrochemical reactor according to Fig. 1 in a schematic, perspective view.
  • Fig. 1 shows an electrochemical reactor 1 in the form of a redox flow battery with a bipolar structure in a sectional view from the side.
  • the electrochemical reactor 1 comprises a stack (cell stack Z) of individual cells 2 which are arranged next to one another in a stacking direction R.
  • Bipolar plates 3 are provided between the individual cells 2, which rest on a negative electrode 5 of a cell 2 on one side and on a positive electrode 6 of an adjacent cell 2 on the opposite side.
  • an end plate 7, 8 with internal, electrically conductive discharge plates 9, via which voltage can be tapped off to the electrochemical reactor 1 and via which a voltage can be applied to the electrochemical reactor 1. This is not shown in detail.
  • Each cell 2 comprises two electrodes 5, 6 which are separated from one another by a separator 10 arranged between the electrodes 5, 6.
  • the two electrodes 5, 6 are each in contact with an electrolyte 11, 12.
  • the electrodes 5, 6 are each accommodated in a cell frame 12 and are in direct contact with the adjacent bipolar plates 3.
  • the cell frames 12 can be clamped together by an external clamping device. However, it can also be provided to weld the cell frames 12 together, if necessary across the bipolar plates 3.
  • the bipolar plates 3 are connected to external activation devices which are designed such that oscillators integrated into the bipolar plates 3 can be set into oscillation. Different designs of the bipolar plates 3 are possible here, some of which are described below as examples.
  • Fig. 2 shows a bipolar plate 3 in which the oscillator 13 is accommodated in a matrix made of a thermoplastic material 14.
  • the thermoplastic material 14 forms the continuous phase in which a filler 15, such as graphite or soot, and the oscillator 13 are accommodated as disperse phases.
  • the bipolar plate 3 can then be set into oscillation, or more precisely into vibration, by applying a varying external voltage via an external activation device 16 in the form of a voltage source.
  • the oscillations of the bipolar plate 3 are then transferred to other parts of the cell stack Z. In the case of a redox flow battery, the oscillations are also transferred in particular to the electrolytes 11, 12.
  • the oscillator 13 is in particular but not necessarily a flexoelectric plastic or a piezoelectric. Alternatively or additionally, these oscillators 13 can also be integrated into the bipolar plate 3 as a layer or in the form of strips.
  • the rest of the bipolar plate 3 can then be formed from a mixture of thermoplastic material 14 and electrically conductive filler 15.
  • Fig. 3 shows a bipolar plate 3 with two outer bipolar plate parts 17, which enclose an interior space between them, which can be used as a fluid volume 18 for receiving a fluid 19 or a hydrogel.
  • the fluid volume 18 is connected to an external activation device 16.
  • the activation device 16 comprises a supply line 20 and a pump unit 21 for periodically supplying and removing fluid 19 into and from the fluid volume 18 of the bipolar plate 3 designed as a bipolar cushion 22.
  • the oscillator 13 of the bipolar plate 3 is accommodated in the fluid volume 18.
  • the bipolar plate parts 17 are electrically connected to one another directly on the one hand and indirectly via the fluid 19 or the hydrogel on the other.
  • Fig. 4 shows a bipolar plate 3 with two outer bipolar plate parts 17, between which strips 23 made of a piezoelectric material 24, a magnetostrictive material or a shape memory polymer are accommodated in the bipolar plate 3.
  • the strips 23 are connected to an external activation device 16, which can apply a varying voltage, a varying magnetic field or a varying temperature to the strips 23 in order to cause the bipolar plate 3 to oscillate.

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Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein elektrochemischer Reaktor (1), insbesondere Redox-Flow-Batterie, Brennstoffzelle, Elektrolyseur oder Elektrosynthesezelle, mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte (3) voneinander getrennten und in einer Stapelrichtung (R) gestapelten Zellen (2), wobei die Zellen (2) jeweils zwei Elektroden (5,6) und einen zwischen den beiden Elektroden (5,6) angeordneten Separator (10) aufweisen und wobei die wenigstens eine Bipolarplatte (3) flexibel ausgebildet ist. Damit der Massentransport und die Stoffverteilung mit geringem konstruktiven und apparativen Aufwand sowie geringer Materialbelastung gesteigert werden können, ist vorgesehen, dass ein die wenigstens eine Bipolarplatte (3) zum Schwingen anregender Oszillator (13) in die Bipolarplatte (3) integriert ist.

Description

Elektrochemischer Reaktor und Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Reaktors
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor, insbesondere Redox-Flow- Batterie, Brennstoffzelle, Elektrolyseur oder Elektrosynthesezelle, mit einem Zellstack aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte voneinander getrennten und in einer Stapelrichtung gestapelten Zellen, wobei die Zellen jeweils zwei Elektroden und einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Separator aufweisen und wobei die wenigstens eine Bipolarplatte flexibel ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Reaktors.
Elektrochemische Reaktoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In den elektrochemischen Reaktoren laufen Redoxreaktionen ab, wobei diese Reaktionen durch eine von außen angelegte Spannungsdifferenz getrieben werden können, wie dies etwa beim Laden einer Redox-Flow-Batterie sowie beim Betrieb eines Elektrolyseurs oder einer Elektrosynthesezelle der Fall ist. In einem Elektrolyseur wird mit Hilfe eines elektrischen Stromes eine chemische Reaktion in Form einer Elektrolyse zur Erzeugung eines Produkts etwa in Form von Wasserstoff durchgeführt. In einer Elektrosynthesezelle finden elektrochemische Syntheseverfahren unter Beaufschlagung der Zelle mit einer Spannung statt. So können in Elektrosynthesezellen beispielsweise Wasserstoffperoxid aus Sauerstoff und Wasser sowie organische Basischemikalien aus Kohlendioxid und Wasser synthetisiert werden. Alternativ können die in dem elektrochemischen Reaktor ablaufenden Redoxreaktionen aber auch zum Erzeugen einer elektrischen Spannung genutzt werden. Dies ist beispielsweise beim Entladen einer Redox-Flow-Batterie oder beim Betrieb einer Brennstoffzelle der Fall.
Die elektrochemischen Reaktoren der genannten Art sind in der Regel aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen aufgebaut, in denen jeweils d entsprechende Redoxreaktion abläuft. Die einzelnen Zellen eines Akkumulators sind oft in einer Reihe angeordnet oder aufeinandergestapelt. Man spricht in diesem Zusammenhang daher auch von einem Zellstack. Zellstacks erlauben je nach Anwendung in einfacher Weise die Bereitstellung einer größeren Spannung oder eines größeren Produktstroms des herzustellenden Produkts. Entsprechende Zellstacks und deren Nutzungen sind seit langer Zeit und aus den unterschiedlichsten Anwendungen bekannt, weshalb hierauf nicht im Einzelnen eingegangen werden muss.
Die einzelnen elektrochemischen Zellen setzen sich aus Halbzellen zusammen, die Elektroden umfassen, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Elektroden und der Separator einer Zelle sind in einem Innenraum integriert, der von wenigstens einem Zellrahmen bereitgestellt sein kann. Bedarfsweise kann eine Zelle auch mehrere Zellrahmen aufweisen, etwa einen Zellrahmen pro Halbzelle der elektrochemischen Zelle. Die Elektroden, der wenigstens eine Zellrahmen und der Separator werden wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander vorgesehen. Es ergibt sich mithin eine Schichtung, die sich in einer sogenannten Stapelrichtung erstreckt. Die einzelnen Zellen eines Zellstacks können über sogenannte Bipolarplatten voneinander getrennt sein. Dabei befinden sich regelmäßig auf den gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten jeweils eine Anode und eine Kathode angrenzender Zellen. Zudem sind die Anode und die Kathode typischerweise jeweils in direktem, elektrisch leitendem Kontakt mit der wenigstens einen dazwischen angeordneten Bipolarplatte.
Die Zellrahmen und die Bipolarplatten sind typischerweise aus unterschiedlichen Materialien gebildet, wobei allerdings aus Kosten- und Fertigungsgründen in einigen Fällen Zellrahmen und Bipolarplatten in Frage kommen, die wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff umfassen. Um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Biopolarplatten bereitstellen zu können, weisen die Bipolarplatten zusätzlich zu dem thermoplastischen Kunststoff vielfach noch einen elektrisch leitenden Füllstoff, etwa in Form feiner Partikel, wie beispielsweise Graphit oder Ruß auf.
Der Separator kann einen für den Betrieb des elektrochemischen Reaktors erforderlichen Elektrolyten aufweisen, wobei der Separator eine offenporig poröse Struktur aufweisen kann, in der ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen sein kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Elektroden in Kontakt mit den Elektrolyten stehen, wobei die Elektrolyte und die Elektroden einer Zelle durch den Separator, beispielsweise in Form einer Membran getrennt sind. Separatoren, die einen Elektrolyten aufnehmen, können bei Brennstoffzellen, wie etwa Polymerelektrolyt- Brennstoffzellen (PEM) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), zum Einsatz kommen, während durch den Separator, etwa in Form einer Membran, getrennte Elektrolyte bei durchströmten Redox-Flow-Batterien Verwendung finden können. Im Falle von Redox-Flow-Batterien können die Elektroden von den Elektrolyten wenigstens teilweise durchströmt werden.
In einigen Fällen kann der Separator selbst den Elektrolyten bereitstellen, wie dies etwa im Falle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle oder einer Festoxid- Brennstoffzelle der Fall ist. In solchen Brennstoffzellen ist der Separator zweigeteilt, wobei ein Teil des Separators von einem wasserstoffhaltigen Gas und der andere Teil des Separators von einem sauerstoffhaltigen Gas durchströmt wird. Der Übergang der Gase von einem Teil des Separators in den anderen Teil des Separators wird von einer Membran verhindert, die jedoch den Übergang von Ladungsträgern erlaubt. Auch hier kann die Gesamtheit der beiden Teile des Separators und der Membran als der Separator zwischen den Elektroden verstanden werden. Auf den genauen Aufbau des Separators kommt es im Zusammenhang mit der Erfindung allenfalls bedingt an. Im Falle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht die Membran aus einem Feststoffpolymer, während bei einer Festoxid-Brennstoffzelle ein oxidkeramischer Elektrolyt verwendet wird. Es können bei anderen Brennstoffzellen aber auch andere Membrane vorgesehen oder ganz auf Membrane verzichtet werden. Aber auch elektrochemische Reaktoren in Form von Brennstoffzellen kommen nicht ohne ein Fluid aus. Hierbei handelt es sich um Arbeitsfluide in Form von durch den Separator im Anodenraum und den Separator im Kathodenraum strömenden Wasserstoff bzw. Sauerstoff enthaltenen Gasen. Folglich ist bei den elektrochemischen Reaktoren darauf zu achten, dass es während des Betriebs zu keinem unerwünschten Austreten von Fluid, also beispielsweise einer Leckage, kommt. Dabei ist es zunächst einmal unerheblich, ob es sich bei dem Fluid um ein Elektrolyt oder um ein Arbeitsfluid handelt.
Vor diesem Hintergrund muss bei der Herstellung eines entsprechenden elektrochemischen Reaktors für dessen Dichtheit Sorge getragen werden. Dies lässt sich erreichen, indem der Zellstack zwischen zwei Endplatten verspannt wird. Dabei werden die Zellen und/oder die Einzelteile der Zellen gegeneinander gepresst, wobei zwischen den Zellen und/oder den Einzelteilen der Zellen Dichtungen vorgesehen sein können. Dies ist einerseits aufwendig und andererseits müssen die Zellen und/oder die Einzelteile der Zellen hohen mechanischen Kräften standhalten. Um dies zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, die Zellen und/oder Einzelteile von Zellen miteinander zu verschweißen, um kleinere und effizientere Zellstacks bereitstellen zu können.
Für die Effizienz der elektrochemischen Reaktoren haben zudem der Massentransport und eine homogene Stoffverteilung in den Zellen eine hohe Bedeutung. Beispielsweise kann es in den Zellen zu Ablagerungen von Feststoffen oder Fluiden sowie Lufteinschlüssen kommen, die Stofftransportprozesse behindern und so zu elektrochemischen Totzonen führen können. Die Totzonen leisten dabei keinen oder nur einen geringen Betrag zu den elektrochemischen Reaktionen in der Zelle. Zudem können die Ablagerungen die Lebensdauer der Zellen nachteilig beeinflussen.
Um entsprechende Ablagerungen zu vermeiden oder wieder aufzulösen, ist bereits vorgeschlagen worden, die gesamten Zellstacks zum Vibrieren zu bringen. Bei diesem Vorgehen können sich jedoch Schraubverbindungen und Anschlüsse lockern und werden die Materialien des Zellstacks nicht unerheblichen Belastungen ausgesetzt. Es wurde auch vorgeschlagen, Schwingungen von extern über bestimmte Bauteile in Zellstacks einzukoppeln, was jedoch konstruktiv und apparativ aufwändig ist. Alternativ können Schwingungen erzeugende Aktuatoren in den Zellstack integriert werden, die dann aber mit meist korrosiven Reaktionsfluiden in Kontakt kommen oder zu einer erheblichen Belastung der zum Schwingen angeregten Bauteile führen können.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den elektrochemischen Reaktor und das Verfahren jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass der Massentransport und die Stoffverteilung mit geringem konstruktiven und apparativen Aufwand sowie geringer Materialbelastung gesteigert werden können.
Diese Aufgabe ist bei einem elektrochemischen Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein die wenigstens eine Bioplarplatte zum Schwingen anregender Oszillator in die Bipolarplatte integriert ist.
Die genannte Aufgabe ist ferner gemäß Anspruch 10 gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- bei dem der wenigstens eine Oszillator wenigstens phasenweise zum Schwingen angeregt wird und
- bei dem der Oszillator die wenigstens eine Bipolarplatte zum Schwingen bringt.
Erfindungsgemäß wird mithin ein Zellstack mit wenigstens einer flexiblen Bipolarplatte verwendet, die ohne größeren Aufwand und ohne übermäßige Belastungen der Bipolarplatte in Schwingung versetzt werden kann. Aufgrund der Flexibilität der Bipolarplatte kann diese trotz der Schwingungen nicht brechen, auch wenn Schwingungen mit hohen Amplituden erzeugt werden. Des Weiteren kann die Bipolarplatte auch leicht in Schwingung versetzt werden, wozu es nur geringer Kräfte bedarf. Zudem werden die Schwingungen aufgrund der Flexibilität auch nur bedingt an angrenzende Bauteile weitergeleitet, die somit vor übermäßiger mechanischer Belastung geschützt werden können. Nicht zuletzt ist auch eine gezielte Deformation der Bipolarplatten aufgrund der bereitgestellten Flexibilität möglich, wodurch Ablagerungen und Lufteinschlüssen gezielt entgegengewirkt werden kann.
Dabei versteht es sich, dass die entsprechende Bipolarplatte nicht durchgängig in Schwingung versetzt werden muss, obwohl dies möglich und auch bevorzugt sein kann. Es ist jedoch verfahrensmäßig vorgesehen, dass die wenigstens eine Bipolarplatte wenigstens phasenweise in Schwingung versetzt wird. So kann beispielsweise hin und wieder oder in regelmäßigen Abständen ein Schwingen der wenigstens einen Bipolarplatte angeregt werden, um sich aufbauende Ablagerungen oder Lufteinschlüsse aufzulösen und aus der betroffenen Halbzelle auszuspülen. Wenn die Schwingungen wenigstens im Wesentlichen durchgängig erzeugt werden, kann gegebenenfalls verhindert werden, dass sich die Ablagerungen oder Lufteinschlüsse Überhauptbilden.
Es versteht sich ebenfalls, dass ein Zellstacktypischerweise eine ganze Reihe von Bipolarplatten aufweisen kann und dass nicht in jede dieser Bipolarplatten ein Oszillator integriert sein muss. Bedarfsweise wird man den apparativen und konstruktiven Aufwand gering halten, indem in nicht mehr Bipolarplatten als notwendig ein Oszillator integriert wird oder indem nicht mehr Bipolarplatten als notwendig zum Schwingen angeregt werden. Es kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass unterschiedliche Bipolarplatten zu unterschiedlichen Zeiten in Schwingung versetzt werden, also etwa nacheinander. Wenn einzelne Bipolarplatten nicht selbst zum Schwingen angeregt werden können, dann bietet es sich an, wenn benachbarte oder nicht weit entfernte Bipolarplatten zum Schwingen gebracht werden können, so dass die Schwingung von wenigstens einer Bipolarplatte auf wenigstens eine andere Bipolarplatte oder wenigstens eine andere Zelle übertragen werden kann. Bei dem Oszillator handelt es sich bevorzugt um das Bauteil, dass die Schwingungen der Bipolarplatte erzeugen kann. Die Schwingungen der Bipolarplatte können aber trotzdem von außen induziert, also angeregt werden. Es ist also vorzugsweise ein Aktuator außerhalb des eigentlichen Zellstacks vorgesehen, der den Oszillator in der wenigstens einen Bipolarplatte zum Schwingen anregt. Da der Oszillator in der Bipolarplatte integriert ist, führt ein Schwingen des Oszillators unmittelbar zu einem Schwingen der Bipolarplatte. Es wird insoweit kein Aktuator benötigt, der in äußerlichen Kontakt mit der Bipolarplatte gebraucht werden muss und ansonsten für den Betrieb des Zellstacks nicht erforderlich wäre.
Hinsichtlich einer geringen Materialbelastung und hinsichtlich der Vermeidung von Ablagerungen kann es sich besonders anbieten, wenn die mit dem wenigstens einen Oszillator erzeugten Schwingungen Ultraschallschwingungen sind. Ultraschallschwingungen können dabei Frequenzen zwischen 20 kHz und 20 GHz aufweisen. Es sind aber auch andere Frequenzen möglich.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des elektrochemischen Reaktors wird der Oszillator durch wenigstens einen flexoelektrischen Kunststoff, wenigstens ein Hydrogel, wenigstens ein Formgedächtnispolymer, wenigstens ein Piezoelektrikum und/oder wenigstens ein magnetostriktives Material gebildet. Dies erlaubt eine einfache und zugleich effektive Integration des Oszillators in die Bipolarplatte, ohne dessen elektrische Funktion nennenswert zu beeinträchtigen.
Bei flexoelektrischen Kunststoffen, wie PVDF, handelt es sich um dielektrische Kunststoffe, die bei einer mechanischen Belastung eine Polarisation im Kunststoff ausbilden und umgekehrt. Aufgrund dessen ist es möglich Bauteile wenigstens teilweise aus flexoelektrischen Kunststoffen, wie beispielsweise Bipolarplatten, durch Anlegen einer elektrischen Spannung wenigstens gering zu biegen oder zu deformieren. Dabei muss die Bipolarplatte nicht vollständig aus flexoelektrischen Kunststoffen gebildet sein. Es kann ausreichen, wenn die flexoelektrischen Kunststoffe einen Teil der Bipolarplatte ausmachen. Die Bipolarplatte kann dann also bedarfsweise zusätzlich einen thermoplastischen Kunststoff und einen elektrisch leitenden Füllstoff aufweisen.
Als Hydrogele werden wasserbindende und wasserunlösliche Polymere bezeichnet, die dabei ein Gel bilden. Die Wasseraufnahme kann dabei physikalisch oder chemisch erfolgen. Durch in die Bipolarplatte eingebaute hydrophile Polymerkomponenten, wie etwa Natriumpolyacrylat oder Polaxamere, können die Bipolarplatten unter beträchtlicher Volumenzunahme aufquellen, wie dies beispielsweise von sogenannten Superabsorbern bekannt ist. Durch Zuführen und Abführen von Wasser zu dem Hydrogel einer Bipolarplatte kann deren Volumen variiert werden. Wird dies in einem entsprechend schnellen Wechsel praktiziert, kann die Bipolarplatte mithin in Schwingung versetzt werden. Die Bipolarplatte kann bedarfsweise zusätzlich zu dem wenigstens einen Hydrogel einen thermoplastischen Kunststoff und einen elektrisch leitenden Füllstoff aufweisen.
Als Formgedächtnispolymere kommen insbesondere solche Polymere in Frage, die einen Zweiweg-Memory-Effekt aufweisen, wie dies von Formgedächtnislegierungen bekannt ist. Solche Formgedächtnispolymere können zum Beispiel Polyurethane oder Blockcopolymere sein. Nachdem die Formgedächtnispolymere auf eine bestimmte Form programmiert sind, regelmäßig unter erhöhter Temperatur, können die Formgedächtnispolymere durch Variation der Temperatur oder eines magnetischen Felds von einer Form zur anderen Form umgeschaltet werden. Auch hier kann die Bipolarplatte auch nur zum Teil aus einem Formgedächtnispolymer gebildet werden, um dessen elektrische und mechanische Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Dann kann die Bipolarplatte beispielsweise noch einen thermoplastischen Kunststoff und einen elektrisch leitenden Füllstoff aufweisen.
Piezoelektrische Materialien, wie etwa Quarz, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat oder Blei-Zirkonat-Titanate, zeigen eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich Materialien beim Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Wird nun eine Spannungsquelle an eine Bipolarplatte wenigstens teilweise umfassend ein piezoelektrisches Material angelegt, kann die Bipolarplatte durch Variation der Spannung verformt und somit in Schwingung versetzt werden. Wenn ein piezoelektrisches Material beispielsweise in der Bipolarplatte verteilt angeordnet ist, kann die Bipolarplatte noch einen thermoplastischen Kunststoff und einen elektrisch leitenden Füllstoff aufweisen.
Magnetostriktive Materialien zeigen eine als Magnetostriktion bezeichnete Eigenschaft, bei der es zu einer Deformation des magnetostriktiven Materials infolge eines angelegten magnetischen Feldes kommt. Dabei erfährt der entsprechende Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung (Joule- Magnetostriktion) infolge der Ausrichtung magnetisch polarer Bereiche. Durch ein wechselndes magnetisches Feld kann eine Bipolarplatte umfassend ein magnetostriktives Material in Schwingung versetzt werden, auch wenn die Bipolarplatte nur zu einem Teil aus einem magnetostriktiven Material gebildet wird. Dann kann die Bipolarplatte zudem beispielsweise noch einen thermoplastischen Kunststoff und einen elektrisch leitenden Füllstoff aufweisen.
Dabei kann eines der zuvor genannten Materialien verteilt in der Bipolarplatte vorgesehen sein, es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein solches Material in einem Innenraum der Bipolarplatte aufgenommen ist. Die Anregung der Bipolarplatte zum Schwingen ist so einfach möglich, ohne dass die die Schwingung erzeugenden Materialien mit den Elektroden in Kontakt kommen. Dies kann auch der einfacheren und/oder leichteren Integration der Materialien in die Bipolarplatte dienlich sein.
Um die Bipolarplatte einfach und zuverlässig in Schwingung versetzen zu können, bietet es sich an, wenn der Oszillator mit einer Aktivierungseinrichtung gekoppelt ist. Der Oszillator kann damit selbst sozusagen passiv sein und über die Aktivierungseinrichtung gezielt aktiviert werden. Dies kann in Abhängigkeit des Oszillators in einfacher Weise dadurch erfolgen, dass die Aktivierungseinrichtung periodische Spannungsänderungen, Druckänderungen und/oder Temperaturänderungen des Oszillators induziert.
Eine einfach und zugleich wirksame Bipolarplatte kann bedarfsweise bereitgestellt werden, indem der Oszillator durch wenigstens ein inneres, mit einem Fluid gefülltes Fluidvolumen in der Bipolarplatte gebildet wird. Das entsprechende Fluidvolumen ist dabei infolge der Elastizität der Bipolarplatte als solche veränderlich. Das Fluidvolumen ist zudem über wenigstens eine Versorgungsleitung mit einer Fluidversorgung verbunden, über die Fluid periodisch zu- und abgeführt werden kann. Durch das Zu- und Abführen von Fluid dehnt sich das Fluidvolumen in der Bipolarplatte und damit die Bipolarplatte selbst aus bevor sich das Fluidvolumen und damit die Bipolarplatte wieder zusammenzieht. Auf diese Weise kann eine Schwingung der Bipolarplatte erzeugt werden.
Der Oszillator kann der Einfachheit und der Zuverlässigkeit halber zwischen wenigstens zwei elektrisch leitend miteinander verbundenen Bipolarplattenteilen vorgesehen sein. Der Oszillator kann dadurch als separate Komponente oder Bauteil in die Bipolarplatte integriert werden. Dabei kann es besonders bevorzugt sein, wenn die wenigstens zwei Bipolarplattenteile ein Bipolarkissen mit im Innenraum des Biopolarkissens aufgenommenem Oszillator bilden. Der Oszillator ist somit zwischen den Bipolarplattenteilen aufgenommen, die leitend miteinander verbunden sind und jeweils in elektrischem Kontakt mit einer der angrenzenden Elektroden stehen.
Ganz grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die wenigstens eine Bipolarplatte, die Bipolarplattenteile und/oder das Bipolarkissen wenigstens überwiegend aus einem thermoplastischen Kunststoff und einem elektrisch leitenden Füllstoff gebildet ist. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Fertigung sowie eine hohe Elastizität der Bipolarplatte. Durch die hohe Elastizität wird ein günstiges Schwingungsverhalten der Bipolarplatte unterstützt. Dabei ist die Herstellung besonders einfach und kostengünstig möglich, wenn der thermoplastische Kunststoff wenigstens überwiegend aus Polyethylen und/oder aus Polypropylen gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Füllstoff aus denselben Gründen wenigstens überwiegend durch ein kohlenstoffhaltiges Material, wie Graphit, Ruß oder Kohlenstoffnanoröhren, gebildet werden.
Besonders zweckmäßig und funktional kann es sein, wenn der wenigstens eine Oszillator ein integraler Bestandteil der Bipolarplatte, der Bipolarplattenteile und/oder des Bipolarkissens ist. Der Oszillator kann mithin nicht weggedacht werden, ohne dass dies die Funktion der Bipolarplatte, der Bipolarplattenteile und/oder des Bipolarkissens beeinträchtigen würde, selbst wenn keine Schwingungen erzeugt werden sollen. Dies gilt umso mehr, wenn der Oszillator als disperse Phase in einer kontinuierlichen Phase umfassend einen thermoplastischen Kunststoff aufgenommen ist. Dadurch kann eine recht gleichmäßige und materialschonende Deformation oder Schwingung der Bipolarplatte erreicht werden. Zudem kann der elektrisch leitende Füllstoff ebenfalls als disperse Phase in der kontinuierlichen Phase des wenigstens einen thermoplastischen Kunststoffs aufgenommen sein.
Um die Langlebigkeit der wenigstens einen Bipolarplatte zu erhöhen, kann wenigstens eine Bipolarplatte mit einer hohen Elastizität verwendet werden. Zudem ist es zur Schonung der wenigstens einen Bipolarplatte oder des Zellstacks zweckmäßig, wenn die Bipolarplatte in niedrig- oder hochfrequente Schwingungen versetzt wird. Des Weiteren sollten die Amplituden der Schwingung nicht zu groß sein, um die Materialbelastungen gering zu halten. Eine gewisse Amplitude kann jedoch erforderlich sein, um Ablagerungen und/oder Lufteinschlüsse verhindern oder reduzieren zu können.
Für den Aufbau eines langlebigen Zellstacks trotz der wenigstens periodisch auftretenden Schwingungen, kann es sich anbieten, wenn der wenigstens eine Separator und/oder die beiden Elektroden der Zellen in einem Hohlraum wenigstens eines Zellrahmens aufgenommen sind. Der Zellstack kann so einfach gestapelt werden, was den Zellstack insgesamt widerstandfähiger machen kann. Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Bipolarplatte in Form eines volumenveränderlichen Bipolarkissens ausgebildet wird. Dann kann das Volumen der Bipolarplatte durch Zu- und Ab führen von Fluid in die Bipolarplatte variiert werden. Dadurch kann eine Schwingung der Bipolarplatte erzeugt werden. Es kann aber alternativ oder zusätzlich auch durch das Zuführen von Fluid zur Bipolarplatte Elektrolyt aus wenigstens einer Halbzelle herausgedrückt werden und/oder durch das Abführen von Fluid aus der Bipolarplatte Elektrolyt in wenigstens eine Halbzelle hineingesogen werden. Mit anderen Worten kann durch eine Volumenvariation der wenigstens einen Bipolarplatte eine Elektrolytströmung im Zellstack erzeugt werden. Diese Strömung kann bedarfsweise sogar Elektrolyt durch den Zellstack fördern. Dabei kann bedarfsweise zusätzlich noch eine Pumpe und/oder ein Druckgefälle vorgesehen sein, um die Strömung des Elektrolyten durch den Zellstack zu unterstützen. Ein solches Druckgefälle und/oder eine solche Pumpe können bedarfsweise aber auch entbehrlich sein. Dann kann der Transport des wenigstens einen Elektrolyten durch die wenigstens eine Halbzelle beispielsweise ausschließlich durch das Zu- und Abführen von Fluid in und aus der wenigstens einen Bipolarplatte bewirkt werden.
Es kann sich zur Verringerung der elektrischen Widerstände im Zellstack anbieten, wenn wenigstens eine Elektrode des elektrochemischen Reaktors ausschließlich mit dem wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff und/oder mit dem Füllstoff der Bipolarplatte in Kontakt gebracht wird. Der Oszillator kann dann in einem von der wenigstens einen Elektrode abgewandten Bereich der Bipolarplatte vorgesehen sein.
Besonders zweckmäßig ist es zur Minderung von Ablagerungen und/oder Lufteinschlüssen in den Zellen, wenn die wenigstens eine Bipolarplatte mit einer niederfrequenten oder hochfrequenten Schwingung beaufschlagt wird. Dabei können sich auch Phasen mit niederfrequenten Schwingungen, Phasen mit hochfrequenten Schwingungen und/oder Phasen ohne Schwingungen abwechseln. Nachträglich wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Reaktor in einer schematischen Schnittansicht quer zur Stapelrichtung der Zellen des einen Zellstacks,
Fig. 2 eine Bipolarplatte zur Verwendung in dem elektrochemischen Reaktor gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 3 eine alternative Bipolarplatte zur Verwendung in dem elektrochemischen Reaktor gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Schnittansicht und
Fig. 4 eine Bipolarplatte zur Verwendung in dem elektrochemischen Reaktor gemäß Fig. 1 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht.
In der Fig. 1 ist ein elektrochemischer Reaktor 1 in Form einer Redox-Flow-Batterie mit einem bipolaren Aufbau in einer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Dabei umfasst der elektrochemische Reaktor 1 einen Stapel (Zellstack Z] von einzelnen Zellen 2, die in einer Stapelrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Zellen 2 sind jeweils Bipolarplatten 3 vorgesehen, die an einer Seite an einer negativen Elektrode 5 einer Zelle 2 anliegen und an der gegenüberliegenden Seite an einer positiven Elektrode 6 einer angrenzenden Zelle 2 anliegen. An den beiden gegenüberliegenden Enden des elektrochemischen Reaktors 1 ist jeweils eine Endplatte 7,8 mit innenliegenden, elektrisch leitfähigen Ableiterplatten 9 vorgesehen, über die Spannung an den elektrochemischen Reaktor 1 abgegriffen und über die eine Spannung an den elektrochemischen Reaktor 1 angelegt werden kann. Dies ist nicht im Einzelnen dargestellt. Eine jede Zelle 2 umfasst zwei Elektroden 5,6 die über einen zwischen den Elektroden 5,6 angeordneten Separator 10 voneinander getrennt sind. Bei dem dargestellten elektrochemischen Reaktor 1 stehen die beiden Elektroden 5,6, in Kontakt mit jeweils einem Elektrolyten 11,12. Die Elektroden 5,6 sind jeweils in einem Zellrahmen 12 aufgenommen und stehen mit den jeweils angrenzenden Bipolarplatten 3 in direktem Kontakt. Die Zellrahmen 12 können über eine äußere Klemmvorrichtung miteinander verspannt sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Zellrahmen 12 miteinander zu verschweißen, und zwar gegebenenfalls über die Bipolarplatten 3 hinweg.
Die Bipolarplatten 3 sind mit äußeren Aktivierungseinrichtungen verbunden, die so ausgebildet sind, dass in die Bipolarplatten 3 integrierte Oszillatoren in Schwingung versetzt werden können. Hierbei kommen unterschiedliche Ausgestaltungen der Bipolarplatten 3 in Frage, von denen einige beispielhaft nachfolgend beschrieben werden.
In der Fig. 2 ist eine Bipolarplatte 3 dargestellt, bei der der Oszillator 13 in einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff 14 aufgenommen ist. Der thermoplastische Kunststoff 14 bildet dabei die kontinuierliche Phase in der ein Füllstoff 15, etwa Graphit oder Ruß, und der Oszillator 13 als disperse Phasen aufgenommen sind. Die Bipolarplatte 3 kann dann durch Anlegen einer variierenden äußeren Spannung über eine externe Aktivierungseinrichtung 16 in Form einer Spannungsquelle in Schwingung, besser gesagt in Vibration, versetzt werden. Die Schwingungen der Bipolarplatte 3 überträgt sich dann auf andere Teile des Zellstacks Z. Im Falle einer Redox-Flow-Batterie übertragen sich die Schwingungen insbesondere auch auf die Elektrolyte 11,12. Bei dem Oszillator 13 handelt es sich insbesondere aber nicht zwingend um einen flexoelektrischen Kunststoff oder ein Piezoelektrikum. Alternativ oder zusätzlich können diese Oszillatoren 13 aber auch als eine Schicht der Bipolarplatte 3 oder in Form von Streifen in die Bipolarplatte 3 integriert sein. Der Rest der Bipolarplatte 3 kann dann aus einer Mischung aus thermoplastischem Kunststoff 14 und elektrisch leitendem Füllstoff 15 gebildet sein. In der Fig. 3 ist eine Bipolarplatte 3 mit zwei äußeren Bipolarplattenteilen 17 dargestellt, die zwischeneinander einen Innenraum einschließen, der als Fluidvolumen 18 zur Aufnahme eines Fluids 19 oder eines Hydrogels genutzt werden kann. Das Fluidvolumen 18 ist mit einer externen Aktivierungseinrichtung 16 verbunden. Die Aktivierungseinrichtung 16 umfasst eine Versorgungsleitung 20 und eine Pumpeneinheit 21 zum periodischen Zu- und Abführen von Fluid 19 in bzw. aus dem Fluidvolumen 18 der als Bipolarkissen 22 ausgebildeten Bipolarplatte 3. In dem Fluidvolumen 18 ist der Oszillator 13 der Bipolarplatte 3 aufgenommen. Die Bipolarplattenteile 17 sind einerseits direkt und andererseits indirekt über das Fluid 19 oder das Hydrogel elektrisch leitend miteinander verbunden.
In der Fig. 4 ist eine Bipolarplatte 3 mit zwei äußeren Bipolarplattenteilen 17 dargestellt, zwischen denen Streifen 23 auf einem piezoelektrischen Material 24, einem magnetostriktiven Material oder einem Formgedächtnispolymer in der Bipolarplatte 3 aufgenommen sind. Die Streifen 23 sind an eine externe Aktivierungseinrichtung 16 angeschlossen, welche die Streifen 23 mit einer variierenden Spannung, einem variierenden magnetischen Feld oder einer variierenden Temperatur beaufschlagen kann, um die Bipolarplatte 3 in Schwingung zu versetzen.
Bezugszeichenliste
1 Elektrochemischer Reaktor
2 Zelle
3 Bipolarplatte
5 Elektrode
6 Elektrode
7 Endplatte
8 Endplatte
9 Ableiterplatte
10 Separator
11 Elektrolyt
12 Zellrahmen 13 Oszillator
14 Kunststoff
15 Füllstoff
16 Aktivierungseinrichtung 17 Bipolarplattenteil
18 Fluidvolumen
19 Fluid
20 Versorgungsleitung
21 Pumpeneinheit 22 Bipolarkissen
23 Streifen
24 piezoelektrisches Material
R Stapelrichtung
Z Zellstack

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemischer Reaktor (1), insbesondere Redox-Flow-Batterie, Brennstoffzelle, Elektrolyseur oder Elektrosynthesezelle, mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte (3) voneinander getrennten und in einer Stapelrichtung (R) gestapelten Zellen (2), wobei die Zellen (2) jeweils zwei Elektroden (5,6) und einen zwischen den beiden Elektroden (5,6) angeordneten Separator (10) aufweisen und wobei die wenigstens eine Bipolarplatte (3) flexibel ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s ein die wenigstens eine Bipolarplatte (3) zum Schwingen anregender Oszillator (13) in die Bipolarplatte (3) integriert ist.
2. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Oszillator (13) durch wenigstens einen flexoelektrischen Kunststoff, wenigstens ein Hydrogel, wenigstens ein Formgedächtnispolymer, wenigstens ein Piezoelektrikum und/oder wenigstens ein magnetostriktives Material gebildet wird.
3. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Oszillator (13) mit einer Aktivierungseinrichtung (16) gekoppelt ist und dass, vorzugsweise, die Aktivierungseinrichtung (16) zur periodischen Spannungsänderung, Druckänderung und/oder Temperaturänderung des Oszillators (!3) ausgebildet ist.
4. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Oszillator (13) durch wenigstens ein inneres, mit einem Fluid (19) gefüllten Fluidvolumen (18) der Bipolarplatte (3) gebildet wird und dass das Fluidvolumen (18) über wenigstens einer Versorgungsleitung (20) mit einer Fluidversorgung zum periodischen Zu- und Ab führen von Fluid (19) verbunden ist.
5. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Oszillator (13) zwischen wenigstens zwei elektrisch leitend miteinander verbundenen Bipolarplattenteilen (17) vorgesehen ist und dass, vorzugsweise, die wenigstens zwei Bipolarplattenteile (17) ein Bipolarkissen (22) mit im Innenraum des Biopolarkissens (22) aufgenommenem Oszillator (13) bilden.
6. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die wenigstens eine Bipolarplatte (3), die Bipolarplattenteile (17) und/oder das Bipolarkissen (22) wenigstens überwiegend aus einem thermoplastischen Kunststoff (14) und einem elektrisch leitenden Füllstoff (15) gebildet werden und dass, vorzugsweise, der thermoplastische Kunststoff (14) wenigstens überwiegend Polyethylen und/oder Polypropylen enthält und/oder der Füllstoff (15) wenigstens überwiegend ein kohlenstoffhaltiges Material, wie Graphit, Ruß oder Kohlenstoffnanoröhren, enthält.
7. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der wenigstens eine Oszillator (13) ein integraler Bestandteil der Bipolarplatte (3), der Bipolarplattenteile (17) und/oder des Bipolarkissens (22) ist und dass, vorzugsweise, der Oszillator (13) als disperse Phase in einer kontinuierlichen Phase umfassend einen thermoplastischen Kunststoff (24) und einen Füllstoff (15) aufgenommen ist.
8. Elektrochemischen Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der wenigstens eine Separator (10) und/oder die beiden Elektroden (5,6) der Zellen (2) in einem Hohlraum wenigstens eines Zellrahmens aufgenommen sind.
9. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Reaktors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der wenigstens eine Oszillator (13) wenigstens phasenweise zum Schwingen angeregt wird und bei dem der Oszillator (13) die wenigstens eine Bipolarplatte (3) zum Schwingen bringt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die wenigstens eine Bipolarplatte (3) in Form eines volumenveränderlichen Bipolarkissens (22) ausgebildet wird, bei dem das Volumen der Bipolarplatte (3) durch Zu- und Abführen von Fluid (19) in die Bipolarplatte (3) variiert wird und bei dem Elektrolyt (11) durch das Zuführen von Fluid (19) aus wenigstens einer Halbzelle herausgedrückt und/oder durch das Abführen von Fluid (19) in wenigstens eine Halbzelle hineingesogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Transport des wenigstens einen Elektrolyt (11) durch die wenigstens eine Halbzelle ausschließlich durch das Zu- und Abführen von Fluid (19) in und aus der wenigstens einen Bipolarplatte (3) bewirkt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem wenigstens ein Elektrolyt (11) des elektrochemischen Reaktors (1) ausschließlich mit dem wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff (14) und/oder mit dem Füllstoff (15) der Bipolarplatte (3) in Kontakt gebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die wenigstens eine Bipolarplatte (3) mit einer niederfrequenten oder hochfrequenten Schwingung beaufschlagt wird.
EP23817689.5A 2022-12-22 2023-11-30 Elektrochemischer reaktor und verfahren zum betreiben eines elektrochemischen reaktors Pending EP4639652A1 (de)

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