EP4649539A1 - Zellrahmen, elektrochemische zelle und elektrochemischer flussreaktor - Google Patents

Zellrahmen, elektrochemische zelle und elektrochemischer flussreaktor

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Publication number
EP4649539A1
EP4649539A1 EP23817095.5A EP23817095A EP4649539A1 EP 4649539 A1 EP4649539 A1 EP 4649539A1 EP 23817095 A EP23817095 A EP 23817095A EP 4649539 A1 EP4649539 A1 EP 4649539A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
region
cell
deflection
inlet
Prior art date
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Pending
Application number
EP23817095.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan GIRSCHIK
Thomas Markmann
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4649539A1 publication Critical patent/EP4649539A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • 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 cell frame for an electrochemical flow reactor, in particular a redox flow battery, wherein the cell frame surrounds at least one cell interior, wherein the cell frame has at least one flow channel connected to the at least one cell interior for supplying and/or discharging a fluid to the cell interior and/or from the cell interior, wherein the at least one flow channel has at least one deflection comprising an arc for deflecting the fluid flow, in particular by at least approximately 90°, wherein the flow channel has an inlet region, a deflection region, a vortex region and an outlet region in the flow direction of the fluid, one after the other, and wherein the flow directions of the fluid in the inlet region and in the outlet region are aligned at least substantially opposite to one another.
  • the invention further relates to an electrochemical cell for a flow reactor, in particular a redox flow battery, with at least one such cell frame and an electrochemical flow reactor, in particular a redox flow battery, with such a cell.
  • Electrochemical cells are known in various designs and are sometimes also referred to as electrochemical reactors because electrochemical reactions take place in the electrochemical cells.
  • the electrochemical cells can be designed as galvanic cells in the form of electrochemical power sources, for example, which supply usable electrical energy through chemical reactions at the various electrodes.
  • the electrochemical cells can also be used to produce certain products by applying an external voltage.
  • accumulator cells serve alternately as a power source and also as a power storage device.
  • the present invention can be used in all types of electrochemical cells through which at least one fluid flows.
  • electrochemical flow reactors are, for example, fuel cells, electrolysis cells, electrosynthesis cells and redox flow batteries.
  • Working fluids flow through fuel cells, which can be either liquid or gaseous media.
  • the working fluids flow through an anode chamber and a cathode chamber, which are separated by a separator.
  • the anode chamber and the cathode chamber are usually each provided by a cell frame, which closes off the interior of the cell from the outside in the plane of the cell frame.
  • fuel cells are typically designed as a cell stack with a large number of electrochemical cells stacked on top of one another.
  • An electrolyzer comprises a series of electrolysis cells, which can also be combined to form a cell stack. With the help of an electric current, a chemical reaction in the form of electrolysis is carried out in the individual electrochemical cells to produce a product, for example in the form of hydrogen.
  • Electrosynthesis cells are constructed in a similar way to the electrochemical cells of an electrolyzer.
  • the fundamental difference here is that the reactants are not split electrochemically. Instead, a synthesis reaction takes place.
  • the cell interiors of the half-cells of the corresponding electrochemical cells which are separated by a separator, are flowed through by liquid or gaseous media.
  • the cell interiors are typically provided essentially by a cell frame, which closes off the respective cell interior from the outside in the plane of the cell frame.
  • batteries particularly redox flow batteries
  • the redox reactions taking place in the electrochemical reactor can be used to generate an electrical voltage.
  • redox flow batteries By applying an external voltage, the redox flow batteries can also be recharged, which is why redox flow batteries are essentially accumulators.
  • Redox flow batteries themselves have been known for a long time and in various designs. Such designs are described as examples in EP 0 051 766 Al and US 2004/0170893 Al.
  • An important advantage of redox flow batteries is the flexible scalability of performance and capacity and thus their suitability to store very large amounts of energy even with a low selected performance and vice versa.
  • the energy is stored in electrolytes that can be kept ready in external tanks.
  • the electrolytes usually contain metallic ions of different oxidation states. To extract electrical energy from the electrolytes or to recharge them, the electrolytes are pumped through a so-called electrochemical cell.
  • the structure of redox flow batteries is usually less well known than the structure of the other electrochemical reactors mentioned above, although the structure of the different electrochemical reactors is basically similar. The structure of redox flow batteries is therefore discussed in more detail
  • Redox reactions take place at both electrodes of the electrochemical cell, with electrons being released from the electrolytes at one electrode and absorbed at the other electrode.
  • the metallic and/or non-metallic ions of the electrolytes form redox pairs and thus generate a redox potential.
  • redox pairs include iron-chromium, polysulfide-bromide or vanadium. These or other redox pairs can basically be present in aqueous or non-aqueous solution.
  • the electrodes of a cell between which a potential difference develops as a result of the redox potentials, are electrically connected to one another outside the cell, e.g. via an electrical consumer. While the electrons pass from one half-cell to the other outside the cell, ions of the electrolytes pass directly from one half-cell to the other half-cell through the semipermeable membrane.
  • a potential difference can be applied to the electrodes of the half-cells instead of the electrical consumer, e.g. using a charger, which reverses the redox reactions taking place at the electrodes of the half-cells.
  • cell frames are used, among other things, which enclose a cell interior.
  • the cell frames typically do not enclose the cell interior completely, but only along a circumferential narrow side.
  • the cell frame therefore runs circumferentially around the cell interior and separates two opposite, larger-area sides from each other, which in turn are assigned to a semipermeable membrane or an electrode.
  • the thickness of the cell frame, which is formed by the edge of the cell frame, is typically significantly less than the width and height of the cell frame, which define the larger-area opposite sides.
  • Each half-cell of the electrochemical cell comprises such a cell frame, which is manufactured from a thermoplastic material, for example, using an injection molding process.
  • Electrodes with a high specific surface area are used, where the corresponding electrochemical reactions can take place quickly and/or comprehensively. This ultimately leads to a high volume-specific output of the cell.
  • the cell interior is usually closed by the electrode on the side facing away from the semi-permeable membrane.
  • So-called bipolar plates which can be coated with a catalyst or another substance, for example, can also be used as a non-porous part of the electrode.
  • Each cell frame has openings and channels through which the corresponding electrolyte can flow from a supply line into the respective cell interior and from there be withdrawn again and fed into a disposal line.
  • each cell frame has at least two openings, of which at least one is connected to a supply line, while the at least one other opening is connected to the disposal line.
  • each opening is connected to a flow channel that is open to the cell interior. This allows electrolyte to be supplied from the supply line to the cell interior via a supply channel and the electrolyte that has flowed through the cell interior to be discharged via a discharge channel.
  • the flow channel can also be branched.
  • a number of similar electrochemical cells are combined in a redox flow battery.
  • the cells are usually stacked on top of one another, which is why the entirety of the cells is also referred to as a cell stack.
  • the electrolytes usually flow through the individual cells in parallel, while the cells are usually connected electrically in series.
  • the cells are therefore usually connected hydraulically in parallel and electrically in series. In this case, the charge state of the electrolytes in each of the half cells of the cell stack is the same.
  • half cells are connected to one another with supply and disposal lines.
  • each half cell or each cell interior of a cell is flowed through by a different electrolyte, the two electrolytes must be separated from one another as they pass through the cell stack. For this reason, two separate supply lines and two separate disposal lines are usually provided along the cell stack.
  • Each of these channels is usually partially formed by the cell frames themselves, which have four openings. The openings extend along the cell stack and form the supply and disposal lines, arranged one behind the other and separated from each other by sealing materials if necessary.
  • the flow channels for supplying and removing fluids to and from the cell interiors are at least partially meander-shaped in the associated cell space.
  • the cell frames can have the flow channel as a closed channel, and therefore completely, or just as an open channel, which is then closed by at least one other component when the cell frame is connected to other components of the cell.
  • this distinction is not of essential importance in the present case, so that this distinction is not always discussed in detail below. This is intended to improve understanding and avoid unnecessary repetition.
  • the fluid with an original flow direction is fed to a deflection area in which the actual reversal of the flow direction takes place and which includes a bend for this purpose. From the bend or the deflection area, the flow enters a vortex area in which the reversal of the flow direction may already be complete, but does not have to be. In this vortex area, the flow is regularly swirled.
  • the reversal of the flow direction is at least essentially complete, so that the redirected flow direction in the outlet area points in a different direction, if necessary at least essentially in the opposite direction to the original flow direction of the flow in the inlet area.
  • the meandering design of the flow channels is done in order to be able to position the deliberately long distances of the flow channels in the cell frame in the most space-saving way possible in order to increase the electrical resistance across the fluid lines and thus reduce short-circuit currents between the hydraulically connected half-cells in a stack.
  • this has the disadvantage that sometimes quite high and undesirable pressure losses along the flow channels have to be accepted.
  • the object of the present invention is to design and further develop the cell frame, the electrochemical cell and the electrochemical flow reactor, each of the type mentioned at the beginning and explained in more detail above, in such a way that undesirably high pressure losses along flow channels are avoided.
  • an electrochemical cell for a flow reactor in particular a redox flow battery, with at least one cell frame according to one of claims 1 to 11.
  • an electrochemical flow reactor in particular a redox flow battery, with at least one cell according to claim 12 or 13.
  • the invention has recognized that the pressure loss due to the deflections in the meandering flow channels can be reduced if the flow cross section of the flow channel is made larger in the vortex area. than is the case in both the inlet area and the outlet area.
  • the flow cross-sections in the inlet area and in the outlet area are preferably designed to be at least essentially the same.
  • the flow cross-section is selected such that the meandering flow channel does not require too much space and at the same time does not generate too high a pressure loss.
  • a small flow cross-section can usually be provided here, since the main pressure loss is generated by the deflection of the flow direction in the deflections of the flow channel.
  • the flow cross-section of the flow channel is enlarged precisely in the vortex area of the flow channel, because a vortex area forms in the flow there as a result of the bend, particularly on the inside of the flow channel.
  • This vortex area reduces the flow cross-section for the less or not vortexed part of the flow, which is consequently initially accelerated adjacent to the vortex area and then decelerated again.
  • the cell frames will preferably have two different flow channels to supply the fluid in question to the cell interior and to remove it from the cell interior. It is then advisable if both flow channels are designed in a similar manner to that described above. However, this is not mandatory, just as the cell frame is not limited to a maximum of two such flow channels. For example, for a more even distribution of the fluid in the cell interior, it may be advisable to provide several flow channels for supplying and removing fluid to or from the cell interior. Alternatively or additionally, the flow channels can also be branched in order to be able to introduce the fluids into the cell interior and/or remove them from the cell interior over a wider area.
  • the advantages according to the invention are particularly, but not necessarily exclusively, applicable to deflections in which the fluid flow is deflected by at least about 90°, i.e. at least about a right angle.
  • the right angle or the corresponding 90° is more or less clearly undercut. Even then, a more or less meandering flow channel can be formed that prevents short-circuit currents.
  • the deflection encompassing the arc for deflecting the fluid flow is designed in such a way that it serves to deflect the fluid flow approximately at a right angle or by approximately 90°. This makes it easy to provide a fairly long flow channel in the cell frame. However, it is not necessarily important whether the deflection takes place at a right angle or only approximately at a right angle. However, it can be particularly preferred for the formation of a meandering design of the flow channel if the deflection is at least in the is designed essentially to reverse the fluid flow in the opposite direction. Here, too, an actual reversal of the flow direction by at least essentially 180° is preferred but by no means mandatory.
  • the width of the flow channel in the vortex region is designed to be larger than the width of the flow channel in both the inlet region and the outlet region.
  • the central plane intersects the inlet region, the deflection region, the vortex region and the outlet region. It is particularly preferred if the common central plane intersects the inlet region, the deflection region, the vortex region and the outlet region in the region of the center of the flow channel and/or in the region of a center line of the flow channel.
  • the widening of the flow cross-section in the vortex area compared to the inlet area and the outlet area is therefore carried out in such a way that the flow channel in a common central plane is wider in the vortex area than in the inlet area and than in the outlet area.
  • the flow cross-section of the flow channel in the vortex area contributes to a reduction in the pressure loss across the flow channel as a whole if the flow cross-section of the flow channel in the vortex area is larger than the flow cross-section in the deflection area.
  • a fluid-dynamically favorable, slow widening of the flow channel can be achieved, which particularly preferably corresponds to the Formation of a vortex area in the flow channel can also be accompanied by a flow separation on the outside of the flow channel.
  • the difference in size of the flow cross sections of the vortex area and the deflection area is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%.
  • the width of the flow channel in the vortex area can be made larger than the width of the flow channel in the deflection area.
  • the difference in width of the flow channels in the vortex area and in the deflection area is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%.
  • the distance between the inlet area and the outlet area in a direction transverse to the flow direction in the inlet area can be smaller than the width of the inlet area and/or the outlet area. This enables a space-saving arrangement of the meandering flow channel without this necessarily leading to excessive pressure losses.
  • the aforementioned size difference is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%.
  • the distance between the inlet area and the outlet area in a direction transverse to the flow direction in the inlet area is greater than the distance between the inlet area and the vortex area, also in a direction transverse to the flow direction in the inlet area, the space required by the flow channel can be reduced.
  • the increase in the flow cross-section in the vortex area can be achieved at the expense of the corresponding distance between the inlet area and the vortex area, without thereby increasing the reduced pressure loss overall.
  • the difference in size of the distances mentioned is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%.
  • a good compromise between pressure loss and space requirements of the flow channel can also be achieved if the inner radius of the deflection region in the common center plane is larger than the distance between the inlet region and the vortex region in a direction transverse to the flow direction in the inlet region.
  • the larger inner radius reduces the tendency for flow separation and the formation of a subsequent, wider vortex region. Contrary to expectations, the return of the vortex region to the inlet region does not affect this, but can be used to reduce the space requirements of the flow channel overall.
  • the corresponding inner radius is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%, larger than the corresponding distance.
  • the inner radius of the deflection region in the common center plane can be made larger than the distance between the inlet region and the outlet region in a direction transverse to the flow direction in the inlet region.
  • the corresponding inner radius is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%, larger than the corresponding distance.
  • a fluid dynamically appropriate flow channel which at the same time takes up little space, can also be achieved alternatively or additionally if, in the common central plane, the width of the deflection in a direction transverse to the flow direction in the inlet area is larger in the deflection area than at the level of the outlet area.
  • the larger width in the deflection area primarily serves to reduce the pressure loss, while the small distance between the Inlet area and outlet area contributes to a smaller space requirement without these two measures hindering each other too much. This can be exploited even more comprehensively if, in the common central plane, the width of the deflection in a direction transverse to the flow direction in the inlet area is larger in the deflection area than at the level of the vortex area.
  • the vortex area can thus contribute both to reducing the pressure loss and to reducing the space required by the flow channel.
  • the corresponding width difference is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%.
  • the width of the deflection in a direction transverse to the flow direction in the inlet area is larger at the level of the vortex area than at the level of the outlet area, this can ensure a flow with low pressure loss.
  • the flow channel can be designed in such a way that the space required by the flow channel remains small.
  • the corresponding difference in width is preferably at least 10%, more preferably at least 15%, in particular at least 20%.
  • the space requirement of the flow channel can also be kept low without this being excessively detrimental to the pressure loss in the flow channel if the width of the vortex area perpendicular to the flow direction in the inlet area is greater than one and a half times the width of the inlet area and/or the outlet area in the common center plane.
  • the space requirement is then, if necessary, at most insignificantly larger than with standard deflections with a constant flow cross-section.
  • At least one cell frame according to one of claims 1 to 11 is provided per half cell. In this way, the previously described advantages can be achieved in particularly in both half-cells of the electrochemical cell.
  • a cell stack of electrochemical cells according to one of claims 12 or 13 is provided. This leads overall to a high power density and efficiency of the electrochemical flow reactor.
  • FIG. 1A-B an electrochemical flow reactor according to the invention in the form of a redox flow battery in a longitudinal section
  • Fig. 2 shows a cell frame according to the invention of the electrochemical flow reactor from Fig. 1 in a plan view
  • Fig. 3 A deflection of a flow channel of the cell frame from Fig. 2 in a plan view.
  • an electrochemical flow reactor 1 in the form of a redox flow battery with a cell stack comprising several electrochemical cells 2 is shown in a longitudinal section.
  • the electrochemical flow reactor 1 comprises three cells 2, each of which has two half cells 3 with corresponding electrolytes.
  • Each half cell 3 has a cell frame 4, which comprises a cell interior 5 through which an electrolyte stored in a storage container can be passed and into which an electrode 6 engages at least partially, which also closes and seals the cell interior 5 on one side.
  • the electrolytes flowing through the cell interiors 5 differ from one another.
  • the respective cell interior 5 is on the The side facing away from the electrode 6, adjacent to the cell frame 4 of the second half-cell 3 of the same electrochemical cell 2, is closed by a semi-permeable membrane 7 provided between the cell frames 4 of the two half-cells 3. Convective transfer of the two different electrolytes of the two half-cells 3 into the cell interior 5 of the cell frame 4 of the other half-cell 3 is thus prevented.
  • ions can pass from one electrolyte to the other electrolyte via the semi-permeable membrane 7 by diffusion, thereby transporting charges.
  • Redox reactions of the redox pairs of the electrolytes at the electrodes 6 of the half-cells 3 of a cell 2 either release or absorb electrons. The released electrons can flow from one electrode 6 to the other electrode 6 of a cell 2 via an electrical connection provided outside the flow reactor 1 and, if required, having an electrical consumer. Which reactions take place at which electrode 6 depends on whether the electrochemical flow reactor is charged or discharged.
  • the electrodes 6 lie flat on an outer side 8 of the cell frame 4.
  • the electrode 6 thus forms a frame surface in the contact area with the outer side 8 of the cell frame 4, which acts as a sealing surface 9.
  • the sealing material 10 lies flat on the outer sides 8 of the adjacent cell frames 4 and thus forms frame surfaces that act as sealing surfaces 9.
  • a flow channel 13 branches off from the supply line 11 in each half cell 3 of each cell 2 as a feed channel, via which the Electrolyte can be supplied to the corresponding cell interior 5 of the half-cell 3.
  • a flow channel 14 is provided as a discharge channel, via which the electrolyte can be drained from the cell interior 5 into the disposal line 12.
  • the supply line 11 (not shown in Fig. 1A) and the disposal line 12 (also not shown) enable the second electrolyte to flow through the other cell interiors 5 of the other half-cells 3 via similar flow channels 13, 14.
  • Fig. 2 shows a plan view of a cell frame 4.
  • Four openings 15 are provided in the corners of the cell frame 3, each opening 15 of which forms part of a supply line 11 or a disposal line 12.
  • the flow channel 13 for supplying and the flow channel 14 for discharging electrolyte are let in as depressions or open channels in the shown outer side 8 of the frame casing 16 of the cell frame 4, which runs around the cell interior 5.
  • the flow channels 13, 14 are closed off to form circumferentially closed lines when assembled to form an electrochemical flow reactor 1. In the electrochemical flow reactor 1 shown, this is done, for example, and in sections, by the sealing materials 10 and the electrodes 6.
  • the flow channels 13, 14 could also be provided as closed channels in the cell frame or closed off by other components of the electrochemical flow reactor 1.
  • the flow channels 13, 14 are shown only very schematically in Fig. 2 and are branched in the embodiment shown, so that the electrolyte can be supplied via the flow channel 13 in a distributed manner over the cell interior 5 and can be discharged via the other flow channel 14. However, this is not necessary. Flow channels 13, 14 leading separately from the supply line 11 could also be provided.
  • the flow channels 13, 14 are designed in a meandering manner with a number of deflections 17, of which one deflection 17 is shown in detail in Fig. 3 as an example.
  • the deflection 17 comprises a bend 18, which ensures that the original flow direction RI of the flow in the flow channel 13, 14 is at least substantially reversed into a reverse flow direction R2 after the bend 18.
  • the deflection 17 is divided into four different sections, which are provided one after the other in the flow direction R1, R2 of the fluid, in the present embodiment an electrolyte.
  • an inlet region 19 the fluid is fed in the original flow direction RI to a deflection region 20 for the actual deflection of the flow direction RI of the flow of the fluid.
  • the flow is therefore deflected and leaves the deflection region 20 in a flow direction that is at least partially oriented opposite to the original flow direction RI.
  • vortex regions form in the flow, particularly on the inside of the flow channel 13, 14, which at least essentially occur in the vortex region 21.
  • the vortex region 21 is followed by an outlet region 22 in which the deflected flow direction R2 points at least essentially opposite to the original flow direction RI.
  • the flow direction R2 of the flow can be reversed by 180°. However, an exact reversal of the flow direction is not important. In the illustrated and in this respect preferred embodiment, it is sufficient if the flow flows back in the direction from which the flow originally flowed. This is intended to achieve a meandering design of the flow channel 13, 14.
  • the flow cross section QW of the flow channel 13,14 in the vortex area 21 is larger than the flow cross section QE,QA in both the inlet area 19 and the outlet area 22.
  • the width BW of the flow channel 13,14 in the vortex area 21 is larger than the width BE,BA of the flow channel 13,14 in both the inlet area 19 and the outlet area 22.
  • the common center plane ME intersects the inlet region 19, the deflection region 20, the vortex region 21 and the outlet region 22, in each case in the region of the center of the flow channel 13, 14 and/or in the region of a center line ML of the flow channel 13, 14.
  • the flow cross section QW of the flow channel 13, 14 in the vortex region 21 is larger than the flow cross section QU in the deflection region 20.
  • the width BW of the flow channel 13,14 in the common center plane ME in the vortex region 21 is greater than the corresponding width BU of the flow channel 13,14 in the deflection region 20.
  • the distance Al between the inlet region 19 and the outlet region 22 is smaller than the width BE,BA of the inlet region 19 as well as the outlet region 22.
  • the distance Al between the inlet region 19 and the outlet region 22 is also viewed in a direction transverse to the flow direction RI in the inlet region 19 greater than the corresponding distance A2 between the inlet region 19 and the vortex region 21.
  • the inner radius 1R of the deflection region 20 is greater than the distance A2 between the inlet region 19 and the vortex region 21 and greater than the distance Al between the inlet region 19 and the outlet region 22 if the respective distance A1,A2 is measured in a direction transverse to the flow direction RI in the inlet region 19 along the common center plane ME.
  • the width B1,B2 of the deflection 17 in the deflection area 20 as well as in the vortex area 21 is greater than the width B3 of the deflection 17 at the level of the outlet area 22 and the width Bl of the deflection 17 transverse to the flow direction RI in the inlet area 19 in the deflection area 20 is greater than the width B2 of the deflection at the level of the vortex area 21.
  • the width BW of the vortex area 21 in a direction transverse to the flow direction RI in the Inlet area 19 seen larger than one and a half times the width BE,BU,BA of the inlet area 19 and/or the outlet area 22.

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Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Zellrahmen (4) für einen elektrochemischen Flussreaktor (1), insbesondere Redox-Flow-Batterie, wobei der Zellrahmen (4) wenigstens einen Zellinnenraum (5) umlaufend umfasst, wobei der Zellrahmen (4) wenigstens einen mit dem wenigstens einen Zellinnenraum (5) verbundenen Strömungskanal (13,14) zum Zuführen und/oder Abführen von einem Fluid zu dem Zellinnenraum (5) und/oder aus dem Zellinnenraum (5) aufweist, wobei der wenigstens eine Strömungskanal (13,14) wenigstens eine einen Bogen (18) umfassende Umlenkung (17) zum Umlenken der Fluidströmung, insbesondere um wenigstens etwa 90°, aufweist, wobei der Strömungskanal (13,14) in der Strömungsrichtung des Fluids nacheinander einen Einlaufbereich (19), einen Umlenkbereich (20), einen Wirbelbereich (21) und einen Auslaufbereich (22) aufweist und wobei die Strömungsrichtungen (R1,R2) des Fluids im Einlaufbereich (19) und im Auslaufbereich (22) wenigstens im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Um unerwünscht hohe Druckverluste entlang von Strömungskanälen zu vermeiden, ist vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt (QW) des Strömungskanals (13,14) im Wirbelbereich (21) größer ist als der Strömungsquerschnitt (QE,QA) im Einlaufbereich (19) und im Auslaufbereich (22).

Description

Zellrahmen, elektrochemische Zelle und elektrochemischer Flussreaktor
Die Erfindung betrifft einen Zellrahmen für einen elektrochemischen Flussreaktor, insbesondere Redox-Flow-Batterie, wobei der Zellrahmen wenigstens einen Zellinnenraum umlaufend umfasst, wobei der Zellrahmen wenigstens einen mit dem wenigstens einen Zellinnenraum verbundenen Strömungskanal zum Zuführen und/oder Abführen von einem Fluid zu dem Zellinnenraum und/oder aus dem Zellinnenraum aufweist, wobei der wenigstens eine Strömungskanal wenigstens eine einen Bogen umfassende Umlenkung zum Umlenken der Fluidströmung, insbesondere um wenigstens etwa 90°, aufweist, wobei der Strömungskanal in der Strömungsrichtung des Fluids nacheinander einen Einlaufbereich, einen Umlenkbereich, einen Wirbelbereich und einen Auslaufbereich aufweist und wobei die Strömungsrichtungen des Fluids im Einlaufbereich und im Auslaufbereich wenigstens im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrochemische Zelle für einen Flussreaktor, insbesondere Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einem solchen Zellrahmen und einen elektrochemischen Flussreaktor, insbesondere Redox-Flow-Batterie, mit einer solchen Zelle.
Elektrochemische Zellen sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden teilweise auch als elektrochemische Reaktoren bezeichnet, da in den elektrochemischen Zellen elektrochemische Reaktionen ablaufen. Die elektrochemischen Zellen können je nach ihrer Verwendung beispielsweise als galvanische Zellen in Form von elektrochemischen Stromquellen ausgebildet sein, die durch chemische Reaktionen an den verschiedenen Elektroden nutzbare elektrische Energie liefern. Alternativ können die elektrochemischen Zellen aber auch der Produktion bestimmter Produkte durch Anlegen einer äußeren Spannung dienen. Akkumulatorzellen dienen dabei im Wechsel wie galvanische Zellen als Stromquelle und zudem als Stromspeicher.
Die vorliegende Erfindung kann bei allen Arten von elektrochemischen Zellen genutzt werden, die von wenigstens einem Fluid durchströmt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Zellen eines elektrochemischen Flussreaktors. Solche elektrochemischen Flussreaktoren sind beispielsweise Brennstoffzellen, Elektrolysezellen, Elektrosynthesezellen und Redox-Flow-Batterien.
Brennstoffzellen werden von Arbeitsfluiden durchströmt, bei denen es sich sowohl um flüssig als auch gasförmige Medien handeln kann. Die Arbeitsfluide durchströmen einen Anodenraum und einen Kathodenraum, die von einem Separator getrennt sind. Der Anodenraum und der Kathodenraum werden dabei regelmäßig im Wesentlichen durch jeweils einen Zellrahmen bereitgestellt, der den Zellinnenraum in der Ebene des Zellrahmens nach außen abschließt. Brennstoffzellen sind entgegen ihrer üblichen Bezeichnung typischerweise als Zellstack mit einer Vielzahl von aufeinandergestapelten elektrochemischen Zellen ausgebildet. Ein Elektrolyseur umfasst dabei eine Reihe von Elektrolysezellen, die ebenfalls zu einem Zellstack vereint sein können. Mit Hilfe eines elektrischen Stromes wird eine chemische Reaktion in Form einer Elektrolyse zur Erzeugung eines Produkts etwa in Form von Wasserstoff in den einzelnen elektrochemischen Zellen durchgeführt.
Elektrosynthesezellen sind dabei ähnlich zu den elektrochemischen Zellen eines Elektrolyseurs aufgebaut. Der grundsätzliche Unterschied besteht hier jedoch darin, dass die Edukte nicht elektrochemisch gespalten werden. Es findet vielmehr eine Synthesereaktion statt. Je nach der gewünschten Reaktion und damit abhängig von den entsprechenden Edukten und Produkten werden die durch einen Separator getrennten Zellinnenräume der Halbzellen der entsprechenden elektrochemischen Zellen von flüssigen oder gasförmigen Medien durchströmt. Auch hierbei werden die Zellinnenräume typischerweise im Wesentlichen von einem Zellrahmen bereitgestellt, der den jeweiligen Zellinnenraum in der Ebene des Zellrahmens nach außen abschließt. In Batterien, wie insbesondere Redox-Flow-Batterien können die in dem elektrochemischen Reaktor ablaufenden Redoxreaktionen zum Erzeugen einer elektrischen Spannung genutzt werden. Durch Anlegen einer äußeren Spannung können die Redox-Flow-Batterien aber auch wieder geladen werden, weshalb es sich bei den Redox-Flow-Batterien prinzipiell um Akkumulatoren handelt. Redox-Flow- Batterien, die selbst bereits lange und in verschiedenen Ausführungen bekannt sind. Solche Ausführungen sind beispielhaft in der EP 0 051 766 Al und der US 2004/0170893 Al beschrieben. Ein wichtiger Vorteil der Redox-Flow-Batterien liegt in der flexiblen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität und damit in ihrer Eignung, auch bei geringer gewählter Leistungsfähigkeit sehr große Mengen an Energie speichern zu können und umgekehrt. Die Energie wird dabei in Elektrolyten gespeichert, die in externen Tanks bereitgehalten werden können. Die Elektrolyte weisen meist metallische Ionen unterschiedlicher Oxidationsstufen auf. Zur Entnahme von elektrischer Energie aus den Elektrolyten oder zum Wiederaufladen derselben werden die Elektrolyte durch eine sogenannte elektrochemische Zelle gepumpt. Der Aufbau von Redox-Flow-Batterien ist meist weniger bekannt als der Aufbau von den anderen zuvor genannten elektrochemischen Reaktoren, obschon der Aufbau der unterschiedlichen elektrochemischen Reaktoren grundsätzlich ähnlich ist. Es wird daher nachfolgend exemplarisch auf den Aufbau der Redox-Flow-Batterien näher eingegangen.
Die elektrochemische Zelle von Redox-Flow-Batterien wird in der Regel aus zwei Halbzellen gebildet, die über einen Separator in Form einer semipermeablen Membran voneinander getrennt sind und jeweils ein Elektrolyt und eine Elektrode aufweisen. Die semipermeable Membran hat die Aufgabe, die Kathode und die Anode einer elektrochemischen Zelle räumlich und elektrisch voneinander zu trennen. Die semipermeable Membran muss daher für Ionen durchlässig sein, welche die Umwandlung der gespeicherten chemischen in elektrische Energie oder umgekehrt bewirken. Semipermeable Membranen können beispielsweise aus mikroporösen Kunststoffen sowie Vliesen aus Glasfaser oder Polyethylen und sogenannten Diaphragmen gebildet werden. An beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle laufen Redox-Reaktionen ab, wobei von den Elektrolyten an einer Elektrode Elektronen freigesetzt und an der anderen Elektrode Elektronen aufgenommen werden. Die metallischen und/oder nichtmetallischen Ionen der Elektrolyte bilden Redox-Paare und erzeugen folglich ein Redox-Potential. Als Redox-Paare kommen beispielsweise Eisen-Chrom, Polysulfid-Bromid oder Vanadium in Frage. Diese oder auch andere Redox-Paare können grundsätzlich in wässriger oder nicht wässriger Lösung vorliegen.
Die Elektroden einer Zelle, zwischen denen sich infolge der Redoxpotentiale eine Potentialdifferenz ausbildet, sind außerhalb der Zelle, z. B. über einen elektrischen Verbraucher, elektrisch miteinander verbunden. Während die Elektronen außerhalb der Zelle von einer Halbzelle zur anderen gelangen, treten Ionen der Elektrolyte durch die semipermeable Membran direkt von einer Halbzelle zur anderen Halbzelle über. Zum Wiederaufladen der Redox-Flow-Batterie kann an die Elektroden der Halbzellen anstelle des elektrischen Verbrauchers, beispielsweise mittels eines Ladegeräts, eine Potentialdifferenz angelegt werden, durch welche die an den Elektroden der Halbzellen ablaufenden Redox- Reaktionen umgekehrt werden.
Zur Bildung der beschriebenen Zelle werden unter anderem Zellrahmen verwendet, die einen Zellinnenraum umschließen. Dabei umschließen die Zellrahmen den Zellinnenraum typischerweise nicht vollständig, sondern lediglich entlang einer umlaufenden Schmalseite. Mithin läuft der Zellrahmen umfangsseitig umlaufend um den Zellinnenraum herum und trennt zwei gegenüberliegende großflächigere Seiten voneinander, die ihrerseits wiederum einer semipermeablen Membran oder einer Elektrode zugeordnet sind. Dabei ist die Dicke des Zellrahmens, der von dem Rand des Zellrahmens gebildet wird, typischerweise deutlich geringer als die Breite und die Höhe des Zellrahmens, welche die großflächigeren gegenüberliegenden Seiten definieren. Jede Halbzelle der elektrochemischen Zelle umfasst einen derartigen Zellrahmen, die beispielsweise im Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt werden. Zwischen zwei Zellrahmen wird eine semipermeable Membran angeordnet, die Elektrolyte der Halbzellen in Bezug auf einen konvektiven Stoffaustausch voneinander trennt, eine Diffusion bestimmter Ionen von einer Halbzelle in die andere Halbzelle aber zulässt. Den Zellinnenräumen wird zudem jeweils eine Elektrode derart zugeordnet, dass diese mit den die Zellinnenräume durchströmenden Elektrolyten in Kontakt stehen. Die Elektroden können beispielsweise den Zellinnenraum eines jeden Zellrahmens auf der der semipermeablen Membran abgewandten Seite abschließen. Dabei kann der Zellinnenraum im Wesentlichen frei bleiben und nur durch jeweils einen Elektrolyten gefüllt sein. Die jeweilige Elektrode kann aber auch wenigstens teilweise in dem Zellinnenraum vorgesehen sein. Dann ist die Elektrode typischerweise so ausgebildet, dass der Elektrolyt teilweise durch die Elektrode hindurchströmen kann.
Vielfach kommen hier Elektroden mit einer hohen spezifischen Oberfläche in Frage, an der die entsprechenden elektrochemischen Reaktionen entsprechend schnell und/oder umfassend ab laufen können. Dies führt letztlich zu einer hohen volumenspezifischen Leistung der Zelle. Die Zellinnenräume sind aber auch dann, wenn die Elektrode in den Zellinnenraum hineinragt, meist auf der der semipermeablen Membran abgewandten Seite durch die Elektrode verschlossen. Als nicht poröser Teil der Elektroden kommen auch sogenannte bipolare Platten in Frage, die beispielsweise mit einem Katalysator oder einem anderen Stoff beschichtet sein können. Jeder Zellrahmen weist Öffnungen und Kanäle auf, durch welche der entsprechende Elektrolyt von einer Versorgungsleitung in den jeweiligen Zellinnenraum strömen und von dort wieder abgezogen sowie einer Entsorgungsleitung zugeführt werden kann.
Umfasst die Redox-Flow-Batterie nur eine einzige Zelle, so befinden sich außerhalb der die Halbzellen bildenden Zellrahmen Versorgungsleitungen für jede Halbzelle und Entsorgungsleitungen für jede Halbzelle. Jeder Zellrahmen weist dabei wenigstens zwei Öffnungen auf, von denen wenigstens eine mit einer Versorgungsleitung verbunden ist, während die wenigstens eine andere Öffnung mit der Entsorgungsleitung verbunden ist. Innerhalb des Zellrahmens ist jede Öffnung mit einem Strömungskanal verbunden, der zum Zellinnenraum geöffnet ist. Dies erlaubt das Zuführen von Elektrolyt von der Versorgungsleitung zum Zellinnenraum über einen Zuführkanal und das Abführen des durch den Zellinnenraum geströmten Elektrolyts über einen Abführkanal. Dabei kann der Strömungskanal auch verzweigt ausgebildet sein.
Bedarfsweise wird eine Mehrzahl gleichartiger elektrochemischer Zellen in einer Redox-Flow-Batterie zusammengefasst. Meist werden die Zellen dazu aufeinander gestapelt, weshalb man die Gesamtheit der Zellen auch als Zellstapel oder Zellstack bezeichnet. Die einzelnen Zellen werden meist parallel zueinander von den Elektrolyten durchströmt, während die Zellen meist elektrisch hintereinander geschaltet werden. Die Zellen sind also meist hydraulisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet. In diesem Fall ist der Ladungszustand der Elektrolyte in jeweils einer der Halbzellen des Zellstapels gleich. Zur Verteilung der Elektrolyte auf die entsprechenden Halbzellen des Zellstacks und zur gemeinsamen Abführung der Elektrolyte aus den jeweiligen Halbzellen sind Halbzellen untereinander mit Versorgungs- und Entsorgungsleitungen verbunden. Da jede Halbzelle bzw. jeder Zellinnenraum einer Zelle von einem anderen Elektrolyt durchströmt wird, müssen die beiden Elektrolyte während des Durchtritts durch den Zellstack voneinander getrennt werden. Deshalb sind längs des Zellstapels in der Regel zwei separate Versorgungsleitungen und zwei separate Entsorgungsleitungen vorgesehen. Jeder dieser Kanäle wird in der Regel teilweise von den Zellrahmen selbst gebildet, welche dazu vier Öffnungen aufweisen. Die Öffnungen erstrecken sich längs des Zellstacks und bilden hintereinander angeordnet und bedarfsweise über Dichtungsmaterialien voneinander getrennt die Versorgungs- und Entsorgungsleitungen.
In vielen Fällen werden die Strömungskanäle für das Zuführen und das Abführen von Fluiden zu bzw. aus den Zellinnenräumen wenigstens teilweise mäanderförmig in dem zugehörigen Zellraum vorgesehen. Die Zellrahmen können den Strömungskanal dabei als geschlossenen Kanal, mithin vollständig, aufweisen oder aber auch nur im Sinne eines offenen Kanals, der dann beim Verbinden des Zellrahmens mit anderen Bauteilen der Zelle durch wenigstens ein weiteres Bauteil verschlossen wird. Diese Unterscheidung ist vorliegend aber nicht von wesentlicher Bedeutung, so dass auf diese Unterscheidung im Folgenden nicht immer im Einzelnen eingegangen wird. Dies soll des besseren Verständnisses dienen und unnötige Wiederholungen vermeiden.
Die mäandernden Strömungskanäle weisen meist mehrere Bögen auf, die der Umkehr der Strömungsrichtung dienen. Die Strömungsrichtung wird dabei regelmäßig um 180° umgekehrt. Auf eine solche exakte Strömungsumkehr kommt es vorliegend aber nicht an. Es kommen alternativ oder zusätzlich auch Umlenkungen zum Umlenken der Strömungsrichtung etwa in einem rechten Winkel, also etwa 90°, zur Anwendung. Zum Umlenkung und/oder Umkehrung der Strömungsrichtung weisen die Umlenkungen der Strömungskanäle jeweils einen Bogen auf. Dies gilt für ein Umlenken der Strömungsrichtung um etwa 90°, für ein Umkehren der Fluidströmung in die Gegenrichtung um etwa 180° oder ein Umlenken der Strömungsrichtung in einem Winkelbereich dazwischen. Diese Umlenkungen können in der Strömungsrichtung in unterschiedliche Abschnitte unterteilt werden, die unmittelbar aneinander anschließen können aber nicht zwingend müssen. In einem Einlaufbereich wird das Fluid mit einer ursprünglichen Strömungsrichtung einem Umlenkbereich zugeführt, in dem die eigentliche Umkehr der Strömungsrichtung erfolgt und die zu diesem Zwecke einen Bogen umfasst. Aus dem Bogen bzw. dem Umlenkbereich gelangt die Strömung in einen Wirbelbereich, in dem die Umkehr der Strömungsrichtung bereits abgeschlossen sein kann aber nicht muss. In diesem Wirbelbereich kommt es regelmäßig zu einer Verwirbelung der Strömung. In einem Auslaufbereich ist die Umlenkung der Strömungsrichtung der Strömung wenigstens im Wesentlichen abgeschlossen, so dass die umgelenkte Strömungsrichtung im Auslaufbereich in eine andere Richtung weist, bedarfsweise wenigstens im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung bezogen auf die ursprüngliche Strömungsrichtung der Strömung im Einlaufbereich weist. Die mäandernde Ausgestaltung der Strömungskanäle erfolgt, um die bewusst langen Wegstrecken der Strömungskanäle zur Erhöhung des elektrischen Widerstands über die Fluidleitungen und somit die Reduzierung von Kurzschlussströmen zwischen den jeweils hydraulisch miteinander verbundenen Halbzellen in einem Stack möglichst platzsparend im Zellrahmen positionieren zu können. Dies hat aber den Nachteil, dass teilweise recht hohe und unerwünschte Druckverluste entlang der Strömungskanäle in Kauf genommen werden müssen.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Zellrahmen, die elektrochemische Zelle und den elektrochemischen Flussreaktor jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass unerwünscht hohe Druckverluste entlang von Strömungskanälen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Zellrahmen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Wirbelbereich größer als der Strömungsquerschnitt im Einlaufbereich und im Auslaufbereich ist.
Die genannte Aufgabe wird zudem gemäß Anspruch 12 durch einem elektrochemische Zelle für einen Flussreaktor, insbesondere Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gelöst.
Die zuvor genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 14 durch einen elektrochemischen Flussreaktor, insbesondere Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einer Zelle nach Anspruch 12 oder 13 gelöst.
Die Erfindung hat erkannt, dass der Druckverlust durch die Umlenkungen in den mäandernden Strömungskanälen verringert werden kann, wenn der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Wirbelbereich größer ausgebildet wird, als dies sowohl im Einlaufbereich als auch im Auslaufbereich der Fall ist. Die Strömungsquerschnitte im Einlaufbereich und im Auslaufbereich werden bevorzugt, wenigstens im Wesentlichen gleich ausgebildet sein. Der Strömungsquerschnitt wird dabei so gewählt, dass der mäandernde Strömungskanal nicht zu viel Platz bedarf und zugleich keinen zu hohen Druckverlust erzeugt. Regelmäßig kann hier ein geringer Strömungsquerschnitt bereitgestellt werden, da der hauptsächliche Druckverlust durch die Umlenkung der Strömungsrichtung in den Umlenkungen des Strömungskanals erzeugt wird. Um diesen Druckverlust zu verringern, ist es aber nicht unbedingt angezeigt, den Strömungsquerschnitt im Bereich der Umlenkung zu vergrößern. Dies erfordert einerseits mehr Bauraum und andererseits wird durch die Querschnittsveränderungen die Strömung zunächst abgebremst und anschließend wieder beschleunigt, was für sich genommen den Druckverlust der Strömung ansteigen lässt. Trotzdem hat die Erfindung erkannt, dass eine gezielte Aufweitung des Strömungskanals zu einer Verringerung des Druckverlusts beitragen kann, ohne den Platzbedarf für den Strömungskanal nennenswert zu erhöhen.
Der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals wird gerade im Wirbelbereich des Strömungskanals vergrößert, weil sich dort infolge des Bogens insbesondere an der Innenseite des Strömungskanals ein Wirbelgebiet in der Strömung ausbildet. Dieses Wirbelgebiet verringert den Strömungsquerschnitt für den weniger oder nicht verwirbelten Teil der Strömung, der infolgedessen angrenzend zum Wirbelgebiet zunächst beschleunigt und anschließend wieder abgebremst wird. Durch die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts im Bereich des Wirbelgebiets kann trotz des Wirbelgebiets für den weniger oder nicht verwirbelten Teil der Strömung ein etwa gleichbleibender Strömungsquerschnitt bereitgestellt werden. Dieser Teil der Strömung wird mithin infolge des Wirbelgebiets im Wirbelbereich des Strömungskanals nicht oder nur geringfügig abgebremst und/oder beschleunigt, was letztlich zu einem verringerten Druckverlust der Strömung insgesamt führt. Besonders zweckmäßig hinsichtlich der fluiddynamischen Eigenschaften des Strömungskanals und des Platzbedarfs für den Strömungskanal im Zellrahmen hat es sich erwiesen, wenn der Strömungsquerschnitt im Wirbelbereich um wenigstens 10%, vorzugsweise wenigstens 20%, insbesondere wenigstens 30%, größer ist als im Einlaufbereich und/oder im Auslaufbereich.
Die Zellrahmen werden bevorzugt zwei unterschiedliche Strömungskanäle aufweisen, um das betreffende Fluid dem Zellinnenraum zuzuführen und aus dem Zellinnenraum wieder abzuführen. Dann bietet es sich an, wenn beide Strömungskanäle in analoger Weise wie zuvor beschrieben ausgebildet sind. Zwingend ist dies aber ebenso wenig wie der Zellrahmen auf maximal zwei solcher Strömungskanäle beschränkt ist. Etwa für eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids im Zellinnenraum kann es sich anbieten, wenn mehrere Strömungskanäle zum Zuführen und Abführen von Fluid zum oder vom Zellinnenraum vorgesehen sind. Alternativ oder zusätzlich können die Strömungskanäle aber auch verzweigt sein, um die Fluide über einen breiteren Bereich in den Zellinnenraum einleiten und/oder aus dem Zellinnenraum abführen zu können.
Die erfindungsgemäßen Vorteile kommen insbesondere aber nicht zwingend ausschließlich für solche Umlenkungen zum Tragen, bei denen die Fluidströmung wenigstens um etwa 90°, also wenigstens um etwa einen rechten Winkel, umgelenkt wird. Dabei ist es jedoch möglich, dass der rechte Winkel bzw. die entsprechenden 90° mehr oder weniger deutlich unterschritten werden. Auch dann kann ein mehr oder weniger mäandernder Strömungskanal ausgebildet werden, der Kurzschlussströme verhindert.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Zellrahmens ist die den Bogen umfassende Umlenkung zum Umlenken der Fluidströmung so ausgebildet, dass sie dem Umlenken der Fluidströmung etwa in einem rechten Winkel bzw. um etwa 90° dient. Dadurch kann in einfacher Weise ein recht langer Strömungskanal in dem Zellrahmen bereitgestellt werden. Dabei kommt es aber nicht unbedingt darauf an, ob die Umlenkung im rechten Winkel oder nur annähernd im rechten Winkel erfolgt. Besonders bevorzugt kann es jedoch für die Ausbildung einer mäandernden Ausgestaltung des Strömungskanals sein, wenn die Umlenkung wenigstens im Wesentlichen zum Umkehren der Fluidströmung in die Gegenrichtung ausgebildet ist. Auch hier ist eine tatsächliche Umkehrung der Strömungsrichtung um wenigstens im Wesentlichen 180° bevorzugt aber keinesfalls zwingend. Es können auch Umlenkungen in einem Winkel zwischen 90° und 180° vorgesehen sein, wenn dies für die Ausgestaltung des Strömungskanals zweckmäßig ist. in einer gemeinsamen Mittelebene die Breite des Strömungskanals im Wirbelbereich größer ausgebildet als dies für die Breite des Strömungskanals sowohl im Einlaufbereich als auch im Auslaufbereich gilt. Die Mittelebene schneidet den Einlaufbereich, den Umlenkbereich, den Wirbelbereich und den Auslaufbereich. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die gemeinsame Mittelebene den Einlaufbereich, den Umlenkbereich, den Wirbelbereich und den Auslaufbereich jeweils im Bereich des Zentrums des Strömungskanals und/oder im Bereich einer Mittellinie des Strömungskanals schneidet. Die Verbreiterung des Strömungsquerschnitts im Wirbelbereich im Vergleich zu dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich wird also derart ausgeführt, dass der Strömungskanal in einer gemeinsamen Mittelebene im Wirbelbereich breiter ist als im Einlaufbereich und als im Auslaufbereich. Dies führt letztlich zu einer fluiddynamisch bevorzugten Formgebung des Strömungskanals insgesamt. Besonders zweckmäßig hinsichtlich der fluiddynamischen Eigenschaften des Strömungskanals und des Platzbedarfs für den Strömungskanal im Zellrahmen hat es sich erwiesen, wenn die Breite des Strömungskanals in der gemeinsamen Mittelebene im Wirbelbereich um wenigstens 10%, vorzugsweise wenigstens 20%, insbesondere wenigstens 30%, breiter ist als im Einlaufbereich und/oder im Auslaufbereich.
Alternativ oder zusätzlich trägt es zu einer Verringerung des Druckverlusts über den Strömungskanal insgesamt bei, wenn der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Wirbelbereich größer ist als der Strömungsquerschnitt im Umlenkbereich. Auf diese Weise kann eine fluiddynamisch günstige, langsame Aufweitung des Strömungskanals erreicht werden, die besonders bevorzugt korrespondierend mit der Ausbildung eines Wirbelgebiets im Strömungskanal einhergehen kann. So lässt sich auch ein Strömungsabriss an der Außenseite des Strömungskanals vermeiden oder reduzieren. Der Größenunterschied der Strömungsquerschnitte von Wirbelbereich und Umlenkbereich beträgt dabei vorzugsweise wenigstens 10%, weiter vorzugsweise wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20%.
Unabhängig davon kann in der gemeinsamen Mittelebene die Breite des Strömungskanals im Wirbelbereich größer ausgebildet sein als die Breite des Strömungskanals im Umlenkbereich. Auch in diesem Falle werden die beschriebenen fluiddynamischen Vorteile erzielt, ohne dass der Strömungskanals selbst deutlich mehr Platz beansprucht. Der Breitenunterschied der Strömungskanäle im Wirbelbereich und im Umlenkbereich beträgt dabei vorzugsweise wenigstens 10%, weitervorzugsweise wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20%.
Alternativ oder zusätzlich kann in der gemeinsamen Mittelebene der Abstand zwischen dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich betrachtet kleiner sein als die Breite des Einlaufbereichs und/oder des Auslaufbereichs. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung des mäandernden Strömungskanals, ohne dass dies zu überhöhten Druckverlusten führen muss. Der vorbezeichnete Größenunterschied beträgt dabei jeweils vorzugsweise wenigstens 10%, weitervorzugsweise wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20%.
Wenn in der gemeinsamen Mittelebene der Abstand zwischen dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen größer ist als der Abstand zwischen dem Einlaufbereich und dem Wirbelbereich ebenfalls in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen, kann der Platzbedarf des Strömungskanals verringert werden. Die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts im Wirbelbereich kann nämlich wider Erwarten zulasten des entsprechenden Abstands zwischen dem Einlaufbereich und dem Wirbelbereich realisiert werden, ohne dadurch einen verringerten Druckverlust insgesamt zu gefährden. Der Größenunterschied der genannten Abstände beträgt dabei vorzugsweise wenigstens 10%, weiter vorzugsweise wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20%.
Ein guter Kompromiss zwischen Druckverlust und Platzbedarf des Strömungskanals kann zudem erreicht werden, wenn in der gemeinsamen Mittelebene der Innenradius des Umlenkbereichs größer ist als der Abstand zwischen dem Einlaufbereich und dem Wirbelbereich in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen. Der größere Innenradius verringert die Neigung des Strömungsabrisses und der Ausbildung eines anschließenden, breiteren Wirbelgebiets. Die Rückführung des Wirbelbereichs heran an den Einlaufbereich beeinträchtigt dies wider Erwarten nicht, sondern kann zweckmäßig zur Reduzierung des Platzbedarfs des Strömungskanals insgesamt genutzt werden. Der entsprechende Innenradius ist dabei vorzugsweise wenigstens um 10%, weiter vorzugsweise wenigstens um 15%, insbesondere wenigstens um 20%, größer als der entsprechende Abstand.
Alternativ oder zusätzlich kann in der gemeinsamen Mittelebene der Innenradius des Umlenkbereichs größer ausgebildet sein als der Abstand zwischen dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen. Auch in diesem Falle werden die beschriebenen fluiddynamischen Vorteile erzielt, ohne dass der Strömungskanals selbst deutlich mehr Platz beansprucht. Der entsprechende Innenradius ist dabei vorzugsweise wenigstens um 10%, weiter vorzugsweise wenigstens um 15%, insbesondere wenigstens um 20%, größer als der entsprechende Abstand.
Ein fluiddynamisch zweckmäßiger Strömungskanal, der zugleich wenig Platz beansprucht, kann auch dadurch alternativ oder zusätzlich erreicht werden, wenn in der gemeinsamen Mittelebene die Breite der Umlenkung in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen im Umlenkbereich größer ist als auf Höhe des Auslaufbereichs. Die größere Breite im Umlenkbereich dient dabei primär der Verringerung des Druckverlusts, während der geringe Abstand zwischen dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich zu einem geringeren Platzbedarf beiträgt, ohne dass sich diese beiden Maßnahmen gegenseitig zu sehr behindern. Dies kann noch umfassender ausgenutzt werden, wenn in der gemeinsamen Mittelebene die Breite der Umlenkung in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen, im Umlenkbereich größer ist als auf Höhe des Wirbelbereichs. So kann der Wirbelbereich sowohl zur Verringerung des Druckverlusts als auch zur Verringerung des Platzbedarfs des Strömungskanals beitragen. Der entsprechende Breitenunterschied beträgt dabei vorzugsweise jeweils wenigstens 10%, weiter vorzugsweise wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20%.
Wenn in der gemeinsamen Mittelebene die Breite der Umlenkung in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich gesehen auf der Höhe des Wirbelbereichs größer ist als auf der Höhe des Auslaufbereichs, so kann dies für eine Strömung mit geringem Druckverlust sorgen. Gleichzeitig kann der Strömungskanal aber so ausgestaltet werden, dass der Platzbedarf des Strömungskanals gering bleibt. Der entsprechende Breitenunterschied beträgt dabei vorzugsweise jeweils wenigstens 10%, weitervorzugsweise wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20%.
Der Platzbedarf des Strömungskanals kann auch dadurch gering gehalten werden, ohne dass dies in übermäßiger Weise zulasten des Druckverlusts im Strömungskanal geht, wenn in der gemeinsamen Mittelebene die Breite des Wirbelbereichs quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich größer ist als das Eineinhalbfache der Breite des Einlaufbereichs und/oder des Auslaufbereichs. Der Platzbedarf ist dann bedarfsweise allenfalls unwesentlich größer als bei standardmäßigen Umlenkungen mit einem konstanten Strömungsquerschnitt.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Zelle ist wenigstens ein Zellrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 pro Halbzelle vorgesehen. Auf diese Weise können die zuvor bereits beschriebenen Vorteile in besonderem Maße genutzt werden, und zwar in beiden Halbzellen der elektrochemischen Zelle.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des elektrochemischen Flussreaktors ist ein Zellstack von elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 12 oder 13 vorgesehen. Dies führt insgesamt zu einer hohen Leistungsdichte und Effizienz des elektrochemischen Flussreaktors.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1A-B einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Flussreaktor in Form einer Redox-Flow-Batterie in einem Längsschnitt,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Zellrahmen des elektrochemischen Flussreaktors aus Fig. 1 in einer Draufsicht und
Fig. 3 Eine Umlenkung eines Strömungskanals des Zellrahmens aus Fig. 2 in einer Draufsicht.
In den Fig. 1A und 1B ist ein elektrochemischer Flussreaktor 1, in Form einer Redox- Flow-Batterie mit einem Zellstapel oder Zellstack umfassend mehrere elektrochemische Zellen 2 in einem Längsschnitt dargestellt. Der elektrochemische Flussreaktor 1 umfasst drei Zellen 2, die jeweils zwei Halbzellen 3 mit korrespondierenden Elektrolyten aufweisen. Jede Halbzelle 3 weist einen Zellrahmen 4 auf, der einen Zellinnenraum 5 umfasst, durch den ein in einem Vorlagebehälter bevorrateter Elektrolyt hindurchgeleitet werden kann und in den wenigstens teilweise eine Elektrode 6 eingreift, die den Zellinnenraum 5 zudem zu einer Seite abschließt und verschließt. Die durch die Zellinnenräume 5 strömenden Elektrolyte unterscheiden sich voneinander. Der jeweilige Zellinnenraum 5 ist auf der von der Elektrode 6 abgewandten Seite angrenzend zum Zellrahmen 4 der zweiten Halbzelle 3 derselben elektrochemischen Zelle 2 durch eine zwischen den Zellrahmen 4 der beiden Halbzellen 3 vorgesehene, semipermeable Membran 7 verschlossen. Ein konvektives Übertreten der beiden unterschiedlichen Elektrolyte der beiden Halbzellen 3 in den Zellinnenraum 5 des Zellrahmens 4 der anderen Halbzelle 3 wird so verhindert. Über die semipermeable Membran 7 können jedoch Ionen per Diffusion von einem Elektrolyten auf den anderen Elektrolyten übergehen, wodurch ein Ladungstransport erfolgt. Durch Redox-Reaktionen der Redox-Paare der Elektrolyte an den Elektroden 6 der Halbzellen 3 einer Zelle 2 werden entweder Elektronen freigesetzt oder aufgenommen. Die freigesetzten Elektronen können über eine außerhalb des Flussreaktors 1 vorgesehene, bedarfsweise einen elektrischen Verbraucher aufweisende, elektrische Verbindung von einer Elektrode 6 zur anderen Elektrode 6 einer Zelle 2 fließen. An welcher Elektrode 6 welche Reaktionen ablaufen, hängt davon ab, ob der elektrochemische Flussreaktor geladen oder entladen wird.
Die Elektroden 6 liegen bei dem dargestellten elektrochemischen Flussreaktor 1 flächig auf einer Außenseite 8 des Zellrahmens 4 auf. Die Elektrode 6 bildet also im Anlagebereich mit der Außenseite 8 des Zellrahmens 4 eine Rahmenfläche, die als Dichtfläche 9 wirkt. Zwischen den einander zugewandten Außenseiten 8 der Zellrahmen 4 einer Zelle 2 befindet sich ein Dichtmaterial 10, in dem die Membran 7 dichtend aufgenommen ist. Das Dichtmaterial 10 liegt flächig an den Außenseiten 8 der angrenzenden Zellrahmen 4 an und bildet so Rahmenflächen, die als Dichtflächen 9 wirken.
Längs zum elektrochemischen Flussreaktor 1 erstrecken sich vier Kanäle. Zwei davon sind Versorgungsleitungen 11 zur Zuführung der beiden Elektrolyte zu den Zellinnenräumen 5 der Zellrahmen 4. Die zwei anderen Kanäle sind Entsorgungsleitungen 12 zum Abführen der Elektrolyte aus den Zellinnenräumen 5 der Zellrahmen 4. In der Fig. 1A ist jeweils eine Versorgungsleitung 11 und eine Entsorgungsleitung 12 dargestellt. Von der Versorgungsleitung 11 zweigt in jeweils einer Halbzelle 3 jeder Zelle 2 ein Strömungskanal 13 als Zuführkanal ab, über den der Elektrolyt dem entsprechenden Zellinnenraum 5 der Halbzelle 3 zugeführt werden kann. An gegenüberliegenden Abschnitten der entsprechenden Zellrahmen 4 ist ein Strömungskanal 14 als Abführkanal vorgesehen, über den der Elektrolyt aus den Zellinnenräumen 5 in die Entsorgungsleitung 12 abgeleitet werden kann. Die nicht in der Fig. 1A dargestellte Versorgungsleitung 11 und ebenfalls nicht dargestellte Entsorgungsleitung 12 ermöglichen dem zweiten Elektrolyt, über gleichartige Strömungskanäle 13,14 durch die jeweils anderen Zellinnenräume 5 der anderen Halbzellen 3 zu strömen.
In den Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Zellrahmen 4 dargestellt. In den Ecken des Zellrahmens 3 sind vier Öffnungen 15 vorgesehen, von denen jede Öffnung 15 ein Teil einer Versorgungsleitung 11 oder einer Entsorgungsleitung 12 bildet. Der Strömungskanal 13 zum Zuführen und der Strömungskanal 14 zum Abführen von Elektrolyt sind als Vertiefungen oder offene Kanäle in die dargestellte Außenseite 8 des um den Zellinnenraum 5 umlaufenden Rahmenmantels 16 des Zellrahmens 4 eingelassen. Die Strömungskanäle 13,14 werden beim Zusammenbau zu einem elektrochemischen Flussreaktor 1 zu umfangsseitig geschlossenen Leitungen geschlossen. Dies erfolgt bei dem dargestellten elektrochemischen Flussreaktor 1 beispielsweise und abschnittsweise durch die Dichtungsmaterialien 10 und die Elektroden 6. Die Strömungskanäle 13,14 könnten aber auch als geschlossene Kanäle in den Zellrahmen vorgesehen sein oder durch andere Bauteile des elektrochemischen Flussreaktors 1 verschlossen werden.
Die Strömungskanäle 13,14 sind in der Fig. 2 lediglich sehr schematisch dargestellt und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verzweigt, so dass der Elektrolyt über den Strömungskanal 13 über den Zellinnenraum 5 verteilt zugeführt und über den anderen Strömungskanal 14 verteilt abgeführt werden kann. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Es könnten also auch separat von der Versorgungsleitung 11 abgehende Strömungskanäle 13,14 vorgesehen sein. Die Strömungskanäle 13,14 sind mäandernd mit mehreren Umlenkungen 17 ausgebildet, von denen eine Umlenkung 17 exemplarisch in Fig. 3 im Detail dargestellt ist. Die Umlenkung 17 umfasst einen Bogen 18, der dafür sorgt, dass die ursprüngliche Strömungsrichtung RI der Strömung im Strömungskanal 13,14 wenigstens im Wesentlichen umgekehrt wird in eine umgekehrte Strömungsrichtung R2 nach dem Bogen 18. Die Umlenkung 17 unterteilt sich in vier unterschiedliche Abschnitte, die in der Strömungsrichtung R1,R2 des Fluids, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Elektrolyten, nacheinander vorgesehen sind. In einem Einlaufbereich 19 wird das Fluid in der ursprünglichen Strömungsrichtung RI einem Umlenkbereich 20 zum eigentlichen Umlenken der Strömungsrichtung RI der Strömung des Fluids zugeführt. In dem Umlenkbereich 20 wird die Strömung mithin umgelenkt und verlässt den Umlenkbereich 20 in einer Strömungsrichtung, die wenigstens teilweise entgegengesetzt zu der ursprünglichen Strömungsrichtung RI ausgerichtet ist. Durch das Umlenken bilden sich insbesondere an der Innenseite des Strömungskanals 13,14 Wirbelgebiete in der Strömung aus, die wenigstens im Wesentlichen im Wirbelbereich 21 auftreten. Nachdem wenigstens überwiegenden Abklingen der Wirbelgebiete schließt sich dem Wirbelbereich 21 ein Auslaufbereich 22 an, in dem die umgelenkte Strömungsrichtung R2 wenigstens im Wesentlichen entgegen der ursprünglichen Strömungsrichtung RI weist. Die Strömungsrichtung R2 der Strömung kann dabei um 180° umgekehrt werden. Auf eine exakte Umkehrung der Strömungsrichtung kommt es aber nicht an. Es ist bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ausreichend, wenn die Strömung etwa wieder in die Richtung zurückströmt, aus der die Strömung ursprünglich zugeströmt ist. So soll eine mäandernde Ausgestaltung des Strömungskanals 13,14 erreicht werden.
Bei der in der Fig. 3 dargestellten Umlenkung 17 des Strömungskanals 13,14 ist der Strömungsquerschnitt QW des Strömungskanals 13,14 im Wirbelbereich 21 größer als der Strömungsquerschnitt QE,QA sowohl im Einlaufbereich 19 als auch im Auslaufbereich 22. In einer gemeinsamen Mittelebene ME, ist die Breite BW des Strömungskanals 13,14 im Wirbelbereich 21 größer als die Breite BE,BA des Strömungskanals 13,14 sowohl im Einlaufbereich 19 als auch im Auslaufbereich 22. Die gemeinsame Mittelebene ME schneidet dabei den Einlaufbereich 19, den Umlenkbereich 20, den Wirbelbereich 21 und den Auslaufbereich 22, und zwar jeweils im Bereich des Zentrums des Strömungskanals 13,14 und/oder im Bereich einer Mittellinie ML des Strömungskanals 13,14. Zudem ist der Strömungsquerschnitt QW des Strömungskanals 13,14 im Wirbelbereich 21 größer als der Strömungsquerschnitt QU im Umlenkbereich 20 ausgebildet.
In einer Richtung quer zur Strömungsrichtung RI im Einlaufbereich 19 gesehen ist die Breite BW des Strömungskanals 13,14 in der gemeinsamen Mittelebene ME in dem Wirbelbereich 21 größer als die entsprechende Breite BU des Strömungskanals 13,14 im Umlenkbereich 20. Zudem ist in der gemeinsamen Mittelebene ME gesehen in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung RI im Einlaufbereich 19 der Abstand Al zwischen dem Einlaufbereich 19 und dem Auslaufbereich 22 kleiner als die Breite BE,BA des Einlaufbereichs 19 ebenso wie des Auslaufbereichs 22. In der gemeinsamen Mittelebene ME ist der Abstand Al zwischen dem Einlaufbereich 19 und dem Auslaufbereich 22 ebenfalls in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung RI im Einlaufbereich 19 gesehen größer als der entsprechende Abstand A2 zwischen dem Einlaufbereich 19 und dem Wirbelbereich 21.
Des Weiteren ist in der gemeinsamen Mittelebene ME der Innenradius 1R des Umlenkbereichs 20 größer als der Abstand A2 zwischen dem Einlaufbereich 19 und dem Wirbelbereich 21 und größer als der Abstand Al zwischen dem Einlaufbereich 19 und dem Auslaufbereich 22, wenn der jeweilige Abstand A1,A2 in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung RI im Einlaufbereich 19 entlang der gemeinsamen Mittelebene ME gemessen wird. In der gleichen Richtung gemessen ist die Breite B1,B2 der Umlenkung 17 jeweils im Umlenkbereich 20 als auch im Wirbelbereich 21 größer als die Breite B3 der Umlenkung 17 auf Höhe des Auslaufbereichs 22 und die Breite Bl der Umlenkung 17 quer zur Strömungsrichtung RI im Einlaufbereich 19 im Umlenkbereich 20 größer als die Breite B2 der Umlenkung auf Höhe des Wirbelbereichs 21. Zudem ist in der gemeinsamen Mittelebene ME die Breite BW des Wirbelbereichs 21 in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung RI im Einlaufbereich 19 gesehen größer als das Eineinhalbfache der Breite BE,BU,BA des Einlaufbereichs 19 und/oder des Auslaufbereichs 22.
Bezugszeichenliste
1 Flussreaktor
2 Zelle
3 Halbzelle
4 Zellrahmen
5 Zellinnenraum
6 Elektrode
7 semipermeable Membran
8 Außenseite
9 Dichtfläche
10 Dichtmaterial
11 Versorgungsleitung
12 Entsorgungsleitung
13 Strömungskanal
14 Strömungskanal
15 Öffnung
16 Rahmenmantel
17 Umlenkung
18 Bogen
19 Einlaufbereich
20 Umlenkbereich
21 Wirbelbereich
22 Auslaufbereich
Al-2 Abstand
Bl-3 Breite Umlenkung
BA Breite Auslaufbereich
BE Breite Einlaufbereich
BU Breite Umlenkbereich
BW Breite Wirbelbereich
1R Innenradius
ME Mittelebene
QA Strömungsquerschnitt Auslaufbereich
QE Strömungsquerschnitt Einlaufbereich
QU Strömungsquerschnitt Umlenkbereich
QW Strömungsquerschnitt Wirbelbereich
RI ursprüngliche Strömungsrichtung R2 umgelenkte Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Zellrahmen (4) für einen elektrochemischen Flussreaktor (1), insbesondere Redox-Flow-Batterie, wobei der Zellrahmen (4) wenigstens einen Zellinnenraum (5) umlaufend umfasst, wobei der Zellrahmen (4) wenigstens einen mit dem wenigstens einen Zellinnenraum (5) verbundenen Strömungskanal (13,14) zum Zuführen und/oder Abführen von einem Fluid zu dem Zellinnenraum (5) und/oder aus dem Zellinnenraum (5) aufweist, wobei der wenigstens eine Strömungskanal (13,14) wenigstens eine einen Bogen (18) umfassende Umlenkung (17) zum Umlenken der Fluidströmung, insbesondere um wenigstens etwa 90°, aufweist, wobei der Strömungskanal (13,14) in der Strömungsrichtung des Fluids nacheinander einen Einlaufbereich (19), einen Umlenkbereich (20), einen Wirbelbereich (21) und einen Auslaufbereich (22) aufweist und wobei die Strömungsrichtungen (R1,R2) des Fluids im Einlaufbereich (19) und im Auslaufbereich (22) wenigstens im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, 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 Strömungsquerschnitt (QW) des Strömungskanals (13,14) im Wirbelbereich (21) größer ist als der Strömungsquerschnitt (QE,QA) im Einlaufbereich (19) und im Auslaufbereich (22).
2. Zellrahmen 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 die den Bogen (18) umfassende Umlenkung (17) zum Umlenken der Fluidströmung etwa in einem rechten Winkel, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen zum Umkehren der Fluidströmung in die Gegenrichtung aufweist.
3. Zellrahmen 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 in einer gemeinsamen Mittelebene (ME) die Breite (BW) des Strömungskanals (13,14) im Wirbelbereich (21) größer ist als die Breite (BA,BE) des Strömungskanals (13,14) im Einlaufbereich (19) und im Auslaufbereich (22) und/oder dass der Strömungsquerschnitt (QW) des Strömungskanals (13,14) im Wirbelbereich (21) größer ist als der Strömungsquerschnitt (QU) im Umlenkbereich (20).
4. Zellrahmen 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) die Breite (BW) des Strömungskanals (13,14) im Wirbelbereich (21) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) größer ist als die Breite (BU) des Strömungskanals (13,14) im Umlenkbereich (20) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19).
5. Zellrahmen 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) der Abstand (Al) zwischen dem Einlaufbereich (19) und dem Auslaufbereich (22) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) kleiner ist als die Breite (BA,BE) jeweils des Einlaufbereichs (19) und des Auslaufbereichs (22) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19).
6. Zellrahmen 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) der Abstand (Al) zwischen dem Einlaufbereich (19) und dem Auslaufbereich (22) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) größer ist als der Abstand (A2) zwischen dem Einlaufbereich (19) und dem Wirbelbereich (21) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19).
7. Zellrahmen 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) der Innenradius des Umlenkbereichs (20) größer ist als der Abstand (A2) zwischen dem Einlaufbereich (19) und dem Wirbelbereich (21) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19).
8. Zellrahmen 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) der Innenradius des Umlenkbereichs (20) größer ist als der Abstand (Al) zwischen dem Einlaufbereich (19) und dem Auslaufbereich (22) quer zur Strömungsrichtung im Einlaufbereich (19).
9. Zellrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) die Breite (Bl) der Umlenkung quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) im Umlenkbereich (20) größer ist als auf Höhe des Auslaufbereichs (22) und dass, vorzugsweise, in der gemeinsamen Mittelebene (ME) die Breite (B2) der Umlenkung quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) im Umlenkbereich (20) größer ist als auf Höhe des Wirbelbereichs (21).
10. Zellrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) die Breite (Bl) der Umlenkung quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) auf Höhe des Wirbelbereichs (21) größer ist als die Breite (B3) der Umlenkung quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) auf der Höhe des Auslaufbereichs (22).
11. Zellrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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 in der gemeinsamen Mittelebene (ME) die Breite (B2) des Wirbelbereichs (21) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19) größer ist als das Eineinhalbfache der Breite (BE,BA) des Einlaufbereichs (19) und/oder des Auslaufbereichs (22) quer zur Strömungsrichtung (RI) im Einlaufbereich (19).
12. Elektrochemische Zelle (2) für einen Flussreaktor (1), insbesondere Redox-Flow- Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, 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 wenigstens ein Zellrahmen (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 pro Halbzelle (3) vorgesehen ist.
14. Elektrochemischer Flussreaktor (1), insbesondere Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einer Zelle (2) nach Anspruch 12 oder 13.
15. Elektrochemischer Flussreaktor nach Anspruch 14, 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 Zellstack von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 vorgesehen ist.
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