JP2016526781A - レドックスフロー電池のセル及びセルスタック - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）と、膜（１５）と、２つの電極（５）と、を有するレドックスフロー電池のセル（１）であって、少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）、膜（１５）、及び２つの電極（５）は、互いに分離している２つのセル内部空間（１０）を囲み、少なくとも４つの個別のチャネル（６、７、８、９）が、異なる電解質溶液が２つのセル内部空間（１０）を通って流れることができるように、少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）に設けられ、且つセル（１）は、少なくとも４つの個別のチャネル（６、７、８、９）を除いて液密に構築される、セルが図示され、説明されている。より高い電力密度をレドックスフロー電池に提供できるようにするために、少なくとも、少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）は、膜（１５）、２つの電極（５）、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子（２、３、４）に溶接されることが提案される。【選択図】図４

Description

本発明は、少なくとも１つのセルフレーム素子と、膜と、２つの電極と、を有するレドックスフロー電池のセルであって、少なくとも１つのセルフレーム素子、膜、及び２つの電極は、互いに分離している２つのセル内部空間を閉鎖し、少なくとも４つの別々のチャネルが、異なる電解質溶液が２つのセル内部空間を通って流れることができるように、少なくとも１つのセルフレーム素子に設けられ、且つセルはその少なくとも４つの別々のチャネルを除いて液密に構築される、セルに関する。本発明は、更に少なくとも１つのそのようなセルを有するレドックスフロー電池のセルスタックに関する。

レドックスフロー電池は既に様々な構成で知られている。そのような構成は、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。レドックスフロー電池の重要な利点は、非常に大量の電気エネルギーを蓄えることができるという適合性に関連する。この場合、エネルギーは、省スペースな形で非常に大きいタンク内に即応状態で保持可能な電解液に蓄えられる。電解液は一般的に様々な酸化段階の金属イオンを有する。電解液から電気エネルギーを取り出す、または電解液を再充電するために、電解液は、いわゆる電気化学セルによってポンピングされる。簡単にするために、以下、用語「電気化学セル」の代わりに単に用語「セル」を使用する。

この場合、セルは、膜によって互いに分離されている２つのハーフセルから構成され、各ハーフセルはセル内部空間、電解液、及び電極を備える。膜は半透過性であり、電気化学セルの陽極及び陰極を互いに空間的に且つ電気的に分離するように機能する。この目的のために、膜は、蓄えられた化学エネルギーの電気エネルギーへの変換をもたらす特定のイオンに対して透過性でなければならない。膜は、例えば微孔性のプラスチック材料またはポリエチレンから形成することができる。セルの両極において、言い換えると、陽極及び陰極において、酸化還元反応が起き、電子が一方の電極で電解液によって放出され、電子が他方の電極で吸収される。電解液の金属及び／または非金属イオンは酸化還元対を形成し、結果的に酸化還元電位を生成する。例えば、鉄／クロム、ポリサルファイド／臭化物、バナジウム、または他の重金属を酸化還元対として考慮することが可能である。これらの対または他の酸化還元対は、原理的に水溶液または非水溶液に存在することができる。

セルの両極間には電位差が酸化還元電位の結果として形成されるが、この両極は、セルの外部で、例えば電気消費機器によって互いに電気的に接続される。電子は、セルの外部で一方のハーフセルから他方のハーフセルに移動するが、電解液のイオンは、一方のハーフセルから他方のハーフセルに直接膜を通って移動する。レドックスフロー電池を再充電するために、電位差を、電気消費機器の代わりに、例えば充電装置によって両ハーフセルの電極に印加することができ、それによって両ハーフセルの電極に起きる酸化還元反応が逆転する。

説明したセルを形成するために、セル内部空間を周辺で囲むセルフレームが使われる。この場合、各ハーフセルは、一般的に射出成形法を用いて熱可塑性プラスチック材料から製造されるようなセルフレームを備える。２つのセルフレームの間に、対流による物質交換に対しては両ハーフセルの電解液を互いに分離するが、一方のハーフセルから他方のハーフセルへの特定のイオンの拡散を可能にする膜が配置される。更に、電極は、それらがセル内部空間を通って流れる電解液と接触するようにセル内部空間に関連付けられる。例えば、電極は、各セルフレームのセル内部空間を、膜から離れている側で閉鎖することができる。各セルフレームは開口部及びチャネルを有し、それらを介して、対応する電解液は、供給管からそれぞれのセル内部空間に流れることができ、そこから再度除去されて排出管に供給されることができる。この場合、ハーフセルの電解液は、供給管及び排出管を介して収集容器から貯蔵容器に循環するようにポンプで送られる。これは、電解液を繰り返し使用することを可能にし、その結果、電解液を廃棄する必要もないし、交換する必要もない。

レドックスフロー電池では、同一に構築された複数のセルが、必要に応じて結合される。一般的にこの目的のために、セルは互いに積層され、そのためにセル全体はセルスタックとも呼ばれる。一般的に電解液が各セルを互いに並列に貫流し、一般的にセルは電気的に相前後して接続される。従って、セルは通常、液圧的に並列に、電気的に直列に接続される。この場合、電解液の充電状態は、セルスタックのハーフセルの各々において同一である。

ハーフセルは、電解液をセルスタックの対応するハーフセルに分配し、且つそれぞれのハーフセルから電解液を一緒に排出するために、チャネルで互いに接続される。別の電解液がセルの各ハーフセルまたは各セル内部空間を通って流れるので、２つの電解液は、セルスタックを通過する間、互いに分離されていなければならない。そのために、一般的にセルフレームまたはセルフレーム素子に４つの孔が設けられ、それら孔は、各セルフレーム素子及び／またはセルスタックに、それぞれのセルに対して垂直に、それぞれのセル内部空間に対して垂直に、及び／またはセルスタック沿いにチャネルを形成する。チャネルの２つは電解液を輸送するように機能する。この場合、電解液は１つのチャネルを介してセル内部空間に供給され、他のチャネルを介してセル内部空間から排出される。従って、ハーフセルに対して電解液の供給及び排出を可能にするために、またはセル内部空間を通る電解液の通過流を可能にするために、各ハーフセルにおいて、セル内部空間に接続される分配チャネルが２つのチャネルから分岐する。

セル及び該当する場合はスタックが液密となるように、対応するセルフレーム、及び該当する場合はそれに加えて対応する電極及び膜、は互いに押圧されるが、特定の電解液と特定の電極との間の接触は防止されなければならない。チャネル及び／またはセル内部空間をシールするために、一般に例えばＯリング、フラットシール、射出成形シールなどの形態のシールが使用される。セルまたはセルスタックの液密性を確保することができるように、非常に高い面圧をシールに与えなければならない。従って、セルまたはセルスタックは、クランプ装置において、セルスタックに沿って側面に延在するテンションロッドによってセルまたはセルスタックに対して押圧される終端締付板の間に導入される。

オーストリア特許出願公開第５１０ ２５０（Ａ１）号 米国特許出願公開第２００４／０１７０８９３（Ａ１）号

既知のレドックスフロー電池はその電力に対して相対的に大きい。従って、レドックスフロー電池の電力密度を更に増大させる取り組みが存在する。

従って、本発明の目的は、導入部で述べ、上記でより詳細に説明したタイプの、より高い電力密度を有するレドックスフロー電池を可能にするセル及びセルスタックを提供することである。

この目的は、少なくとも、少なくとも１つのセルフレーム素子が、膜、２つの電極、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子に溶接される、請求項１の前提部に係わるセルにおいて達成される。

上記の目的は、更に、請求項１４に従って、少なくとも１つのそのようなセルを有するセルスタックにより達成される。

本発明は、少なくとも１つのセルフレーム素子を膜、２つの電極、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子に溶接することによって、セルまたはセルスタックの押圧を省略することができること、及び、それによってセルをより薄く構築することができることを認識した。これは、その結果、セルフレーム素子がもはやそのような高い機械的負荷を受けないからである。更に、本発明は、セルフレーム素子はもはやシール面の領域においてそのような高い面圧を受ける必要がないので、セルフレーム素子の構築に関して全く新しい設計の可能性を開く。例えば、少なくとも１つのセルフレーム素子のフレームを、例えばセル内部空間の相対的な表面の割合を増大させるために、より細くなるように構築することができる。

原理的には、少なくとも１つのセルフレーム素子を、十分なシールを得るために、本発明に従って、膜、電極、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子に押圧する、または他の形で接続することもできる。これが実行されるか否か、及びどのように実行されるかは、個別のケースに応じて定めることができる。しかしながら、いずれの場合でも、特に圧縮が特定の欠点をもたらすセルの構成要素間には、上述したような部分的な溶接が実行される。膜は、好ましくは半透過性膜、イオン伝導性膜、及び／または多孔質膜とすることができる。

更に、電極は好ましくは双極板である。セルスタックが設けられている場合、電極は、少なくとも１つのセル内部空間で、好ましくは両側で、相異なるハーフセルまたは相異なるセルのセル内部空間に隣接しており、電極は、少なくとも１つのハーフセルまたは少なくとも対応するセル内部空間を片側で閉鎖する。膜は、両側でセルのハーフセルまたはセル内部空間を閉鎖する。セルスタックの場合、セルスタックは、好ましくは、少なくとも５個、特に少なくとも１０個のセルを含む。

本発明の文脈において、溶接が言及される場合、周辺液密性を提供するために、好ましくは周辺溶接であると理解されるものとする。具体的には、用語「周辺」は、実質的に、セルまたはハーフセルの平面に平行な平面、且つ／あるいはセル内部空間に平行な平面にあると理解されるものとする。更に、具体的には、対応する構成要素の縁部が互いに溶接されており、用語「周辺」は具体的にはそれらの縁部の少なくとも１つに対して周辺であると理解されるものとする。

セルの第１の好ましい実施形態において、少なくとも１つのセルフレーム素子は、レーザー溶接、熱風溶接、加熱素子溶接、及び／または超音波溶接によって、膜、２つの電極、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子に溶接される。これは、規格ＥＮ１４６１０及び／またはＤＩＮ１９１０−１００に準じて実行できる。上記の方法での溶接の操作は実行するのが簡単で且つ費用対効果が良く、液密の接続を提供することができる。この場合、溶接のための熱エネルギーを局所限定的に、浸透される材料の当該位置に導入するために、レーザービームがかなりの程度、その材料に一部のみにおいて吸収されるように、レーザーを調整することができる。

これは、具体的にはいわゆるレーザー透過溶接であり、加熱及び接合操作を、構成要素の互いに閉じる方向に、実質的に同時に実行することができる。加熱は、例えば特定の顔料、具体的には特定の色の顔料におけるレーザービームの吸収によって実行可能である。従って、加熱の選択的導入を生じるために、対応する顔料を選択的に溶接する箇所に提供することができる。使用されるレーザービームに対して高透過度の接合相手及び高吸収度の接合相手を使用することも可能である。高吸収度を有する構成要素には、例えばレーザービームを吸収する特定の顔料によって着色すること、または別の方法で顔料を散在させることができる。一方、高透過度の構成要素は実質的にそのような顔料を含まないことができる。レーザービームは局所的にのみ吸収されるので、溶接すべき構成要素を加熱前に互いに対して最終の位置に事前に位置付けすることが可能である。その後、レーザービームは、高透過度を有する構成要素または構成要素群を介して高吸収度を有する構成要素または構成要素群の所まで導入され、そこでレーザービームは少なくとも部分的に吸収される。良好な溶接性のレベルを得るために、少なくとも１つのセルフレーム素子、少なくとも１つの電極、及び／または膜を、プラスチック材料及び／またはプラスチック材料を含む複合材料から形成することができる。複合材料は該当する場合は化合物材料であってもよい。複合材料または化合物材料の場合、単層または多層で構築することができる。上記の最後の場合、多層はその組成または構造に関して互いに異なる。しかしながら、少なくとも１つのセルフレーム素子、少なくとも１つの電極、及び／または膜の単層の、好ましくは均質な構築は、特に簡単であり費用対効果が良い。化合物材料は化合物物質から形成される。

プラスチック材料が熱可塑性材料である場合、溶接性を更に向上させることができる。溶接性及び機械的特性の理由で、熱可塑性材料は、好ましくはポリオレフィン、具体的にはポリエチレン（ＰＥ／独：Polyethylen，英：polyethylene）、ポリプロピレン（ＰＰ／独：Polypropylen，英：polypropylene）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ／独：Polyphenylensulfid，英：polyphenylene sulphide）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ／独：Polyetheretherketon，英：polyether ether ketone）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ／独：Polyvinylchlorid，英：polyvinyl chloride）、及び／またはポリアミド（ＰＡ／独：Polyamid，英：polyamide）である。

膜及び／または少なくとも１つの電極が少なくとも１つの隣接のセルフレーム素子に溶接されない場合、膜及び／または少なくとも１つの電極は、セルフレーム素子から液密にシールされるように押出成形または鋳造することができる。この場合、押出成形は、好ましくは射出成形によって行うことができる。このようにすることで、液密性は簡単な方法で提供され得る。代替的にまたは追加的に、膜及び／または少なくとも１つの電極を、互いに溶接される２つのセルフレーム素子間の押圧によって液密に保持することができる。この場合、対応する押圧力が提供されなければならず、このオプションはあまり好ましいものではない可能性がある。しかしながら、押圧力は、例えば他の構成要素を溶接することによって、好ましくは互いに溶接されるセルフレーム素子、セル、またはセルスタックの隣接のセルによって、簡単に提供できることもあり得る。一般的に、溶接が押出成形及び／または鋳造に対して好ましい。これは、対応する溶接継目は一般的に機械的負荷に良好に耐えるので、押出成形及び／または鋳造の場合に非密封が発生する危険性がより大きいという理由である。

レドックスフロー電池の電力密度を増大させ、レドックスフロー電池の構築を簡単にし、且つ／または溶接を簡単にするために、少なくとも４つのチャネルが、セル及び／または少なくとも１つのセルフレーム素子の少なくとも１つの狭い側に、特に少なくとも２つの狭い側に開口部を有することができる。その結果、狭い側によって囲まれているセル及び／またはセルフレーム素子の端部側は、電解液用の開口部が全く無く構築でき、その位置での、電解液と電極及び／または膜との間の接触の危険性が無い。この場合、端部側は、好ましくは、セル内部空間、電極、及び／または少なくとも１つの膜に実質的に平行に構築される。従って、セルフレーム素子の端部側に、開口部及びセル内部空間に垂直に提供されているチャネルのための個別の領域を全く設ける必要がない。その結果、セルフレーム素子をより狭く構築でき、電力密度を増大することができる。更に、対応するチャネルの結果として、たった１つの電解液を、セルフレーム素子のフレームを介して対応するセル内部空間に向かい、次いでそのセル内部空間から離れる方向に案内する必要があるだけである。これは、電解液をセルの２つのセル内部空間を介して流れさせる少なくとも４つのチャネルを、セルの少なくとも２つのセルフレーム素子にわたって分割することができることを意味する。これは、各セルフレーム素子が具体的には電解液用の少なくとも２つのチャネル及び／または孔を有するように実施することができる。

セルの別の好ましい実施形態では、膜及び／または少なくとも１つの電極は、少なくとも１つのセルフレーム素子に溶接される。このように、膜及び／または少なくとも１つの電極を固定し、且つその上、少なくとも１つの対応するハーフセルのセル内部空間をシールすることができる。更に、それ故、例えばセル内部空間を囲むセルフレーム素子によって、且つ、少なくとも一方の側においてセルフレーム素子を膜及び／または少なくとも１つの電極に溶接することでセル内部空間が横方向に液密に閉鎖されることによって、セルを簡単に構築することができる。従って、例えば、セルは、セルフレーム素子が膜とは別にまたは膜を介して互いに溶接されることによって、膜及び電極に溶接される２つのセルフレーム素子により提供することができる。その結果、このようなセルはチャネルを除いて液密であり、容易に他のセルと組み合わせてセルスタックを形成することができる。最後に、結果として、少なくとも２つのセルフレーム素子を設けることができ、セルフレーム素子は膜、電極、及び好ましくは別の電極に溶接される別のセルフレーム素子に溶接される。

基本的な原理として、容易にセルを構築し、且つ容易にそれをシールすることができるようにするために、２つのセルフレーム素子を互いに溶接することができる。代替的にまたは追加的に、膜を２つのセルフレーム素子に溶接することができる。従って、例えば、セルの中心をシールすることが容易に可能である。代替的にまたは追加的に、電極が少なくとも１つのセルフレーム素子に溶接される場合、セルの外側を容易にシールすることができる。言い換えれば、少なくとも２つのセルフレーム素子をそれぞれ電極及び膜に溶接することができる。

セルの好ましい構成では、少なくとも５つのセルフレーム素子が設けられる。２つの電極及び膜はそれぞれ別のセルフレーム素子に溶接される。更に５つのセルフレーム素子を互いに溶接することができる。この場合、電極にそれぞれ溶接される２つのセルフレーム素子を使用してセルを構築することができ、これらの２つのセルフレーム素子はそれぞれセル内部空間を周辺で囲むセルフレーム素子に溶接される。この場合、後者のセルフレーム素子を、それらの間に設けられ膜に溶接されるセルフレーム素子に溶接することができる。従って、モジュール構造が生成される。電極は、電極に溶接されるタイプのセルフレーム素子によって提供される。電解液用のセル内部空間及び／または分配チャネルは、実質的に他のセルフレーム素子によって提供され、膜は、膜に溶接される別のセルフレーム素子を介して提供される。当然のことながら、更に追加のセルフレーム素子もセルの構築のために提供することができる。しかしながら、これはより複雑であり、それ故にあまり好ましくない。セルスタックの場合、更に、電極に溶接されるセルフレーム素子は隣接のセルでは必要ではない。結果として、隣接のセル及び該当する場合には追加のセルは、上記のように構築される４つの追加のセルフレームで済む。それで、それらは、２つの追加のセル内部空間、膜、及び追加の電極を提供する。

電極を簡単にセルフレーム素子に溶接することができるようにするために、電極が、少なくとも部分的に、少なくとも１つのプラスチック材料、具体的には少なくとも１つの熱可塑性材料、好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、及び／またはポリアミド（ＰＡ）から形成される場合に、有利である。更に好ましい方法では、電極は、プラスチック材料と、好ましくはカーボン、グラファイト、スート、炭化チタン（ＴｉＣ／独：Titancarbid，英：titanium carbide）、窒化ホウ素（ＢＮ／独：Bornitrid，英：boron nitride）、少なくとも１つの金属、及び／または少なくとも１つの金属化合物の形態の導電性粒子との複合物から形成される。好ましくは均質である導電性粒子は、好ましくは、連続相における分散相または少なくとも１つのプラスチック材料の母材として散布されるように準備される。

原理的に、セルまたは隣接のセルの隣接のセルフレーム素子は、互いに直接溶接することができる。しかしながら、セル及び／または隣接のセルの隣接のセルフレーム素子が電極または膜を介して互いに溶接されることも提供することができる。しかしながら、その結果、各セルフレーム素子は電極または膜に溶接されるが、他のセルフレーム素子には溶接されない。

セルスタックを簡単に構築するために、上記に記載のタイプの少なくとも１つのセル、具体的にはセルのセルフレーム素子または電極が、隣接のセルのセルフレーム素子に溶接されることは有利である。この場合、隣接のセルは上記に記載のタイプのセルと同様な方法で構築することができる。好ましくは、セルスタックの全てのセルは同じ形で構築される。

代替的にまたは追加的に、セルスタックのセルは、隣接のセルのセルフレーム素子に両側で溶接でき、この素子は好ましくは膜に溶接される。この場合、セルスタックの末端のセルは例外となることができる。それらは好ましくは端板に接合することができる。それらは、隣接の末端電極と面接触を有し、例えば少なくとも１本の線を介して少なくとも１つの消費機器に接続することができる。

本発明を、実施形態を単に提示する図面を参照して以下により詳細に説明する。

従来技術から知られているレドックスフロー電池のセルスタックの縦断面図である。 図１のセルスタックの詳細な説明図である。 図１のセルスタックのセルフレーム素子の平面図である。 本発明に係わる第１のセルスタックの本発明に係わる第１のセルの横断面図である。 図４のセルの第１のセルフレーム素子の平面図である。 図４のセルの第２のセルフレーム素子の平面図である。 図４のセルの第３のセルフレーム素子の平面図である。 本発明に係わる第２のセルスタックの本発明に係わる第２のセルの横断面図である。 図８のセルのセルフレーム素子の断面図である。 本発明に係わる第３のセルスタックの本発明に係わる第３のセルを示す。 図１０のセルのセルフレーム素子の平面図である。 図１０のセルの別のセルフレーム素子の平面図である。

図１及び図２は、セルスタックＡ、すなわち、従来技術から知られており、導入部でより詳細に説明したレドックスフロー電池のセルスタックの縦断面図である。セルスタックＡは、対応する電解液を有する２つのハーフセルＣを各々が有する３つのセルＢを備える。各ハーフセルＣは、収集容器に格納されている電解液を通過させることができるセル内部空間Ｅを含むセルフレーム素子Ｄを有する。セル内部空間Ｅは、第２のハーフセルＣのセルフレーム素子Ｄに隣接し、２つのハーフセルＣのセルフレーム素子Ｄの間に設けられている半透過膜Ｆによって閉じられている。セルフレーム素子Ｄの他の端部側においてハーフセルは電極Ｇによって閉じられている。電極Ｇは更に次のセルＢに隣接のセル内部空間Ｅを閉じている。

電極Ｇは、図示のセルスタックＡ内のセルフレーム素子Ｄの外側Ｈ上に平面状に配置される。電極Ｇ及びセルフレーム素子Ｄの端部側は電極Ｇの両側でシール材料Ｉに隣接する。膜Ｆがシール状態で受け入れられているシール材料Ｊは、セルフレーム素子Ｄの他の端部側の間に配置される。

図示のレドックスフロー電池には、４つのチャネルが電解液を供給及び排出するためにセルスタックＡに沿って延在する。ハーフセルＣの対応するセル内部空間Ｅに電解液を供給することができる分配チャネルＯは、各々のセルＢのハーフセルＣにおいて２つのチャネルから分岐する。対応するセルフレーム素子Ｄの対向する部分に、電解液が排出される分配チャネルＰが設けられる。

図３は、図１のセルスタックのセルフレーム素子Ｄの平面図である。セルフレーム素子Ｄの角に、４つの孔Ｑが設けられ、その中の各孔が電解液用のチャネルの一部を形成する。分岐した分配チャネルＯ、Ｐは、セル内部空間Ｅを囲むセルフレーム素子ＤのフレームＲに凹部として導入される。

図４はセルスタックのセル１の断面図である。セル１は５つのセルフレーム素子２、３、４を備える。外側セルフレーム素子２は、対応するセルフレーム素子２と対応する電極５との間で電解液が排出される可能性がないように、電極５に周辺で溶接される。電極５に溶接されたそのようなセルフレーム素子２が平面図として図５に示される。セルフレーム素子２は、セル内部空間１０または電極５に対して実質的に垂直に延在するチャネル６、７、８、９の形態で４つの孔を有する。これらのチャネルの２つ６、７は、セル１のセル内部空間１０に対して異なる電解液を供給するために使用される。他の２つのチャネル８、９は、その２つの異なる電解液を排出するために使用される。電極５は、電解液と電極５との間の直接の接触を防ぐために、これらの孔またはチャネル６、７、８、９から十分な間隔をもってセルフレーム素子２に溶接される。この場合、セルフレーム素子２のフレーム１１と電極５の縁部１２との間の溶接継目は、電極５に対して周辺であるように設けられる。

電極５に溶接されるセルフレーム素子２は、別のセルフレーム素子３に周辺で溶接され、これらのセルフレーム素子２、３の間にも電解液が排出される可能性はない。２つの内側セルフレーム素子３はそれぞれ、セル内部空間１０に対して周辺に設けられるフレーム１１を形成する。いわゆる反応フェルト１３がセル内部空間１０に配置される。更に、セル内部空間１０はセルスタックのセル１（図４に図示）の相異なるハーフセルの構成要素である。対応するセルフレーム素子３を端部側の平面図として図６に示す。当該セルフレーム素子３も、２つの電解液用の４つの孔またはチャネル６、７、８、９を有する。その孔は、図５に示すセルフレーム素子２の孔と整合するように配置される。２つのチャネル７、８は、分配チャネル１４を介してセル内部空間１０に接続される。電解液は、分配チャネル１４を介してセル内部空間１０に供給可能であり、且つ再度、分配チャネル１４を介して排出可能である。図４のセル１の他のハーフセルのセルフレーム素子３は、図６に示すセルフレーム素子３に対して横方向に反転して配向され、同じ形で構築される。このようにして、他の電解液は、分配チャネル１４及び他のチャネル６、９を介して他のセル内部空間１０に供給可能であり、且つ再度、セル内部空間１０から排出可能である。

膜１５に溶接され、図７に示す別のセルフレーム素子４は、セル１の２つのハーフセルのセル内部空間１０を周辺で囲む２つのセルフレーム素子３の間に設けられる。膜１５は、ハーフセルのセル内部空間１０を電極５の反対側で閉鎖するように設けられる。膜１５に溶接されるセルフレーム素子４は、ハーフセルのセル内部空間１０を形成する、隣接する２つのセルフレーム素子３にも溶接される。膜１５に溶接されるセルフレーム素子４は、更に、図５に示すセルフレーム素子２と同様に、膜の平面に垂直に配向されているチャネル６、７、８、９の形態で、他の孔と整合する４つの孔を有する。セル１の動作中には、電解液はチャネル６、７、８、９を通って流れる。膜１５は、縁部１６に沿って周辺で中央セルフレーム素子４のフレーム１１に液密に溶接される。

図示されていないセルの代替の実施形態では、膜１５に溶接される中央セルフレーム４を省略することも可能であろう。その結果、膜１５を、ハーフセルのセル内部空間１０を囲む２つのセルフレーム素子３に直接溶接することができるであろう。この場合、セル内部空間１０を囲むセルフレーム素子３を、該当する場合更に、互いに溶接することができる。更に、図４の中央セルフレーム素子４が省略される場合、電解液が混合されないことが保証されなければならない。これは、分配チャネル１４が少なくとも部分的にセルフレーム素子３の対応する部分によって内向きに閉じられ、且つ／または分配チャネル１４が少なくとも部分的に膜１５によって閉じられることで保証することができる。

図８はセルスタックの別のセル１’の断面図である。当該セル１’は、図４に示すセルとは異なり、図９に断面図として示すセルフレーム素子３’を２つのみ備える。これらの２つのセルフレーム素子３’は、図示のセル１’のハーフセルのセル内部空間１０’を対応するフレーム１１’によって周辺で囲み、各々、セル内部空間１０’に実質的に平行に延在する複数のチャネル６’、７’、８’、９’を有する。電解液を、これらのチャネル６’、７’、８’、９’を介してセル内部空間１０’に供給することができ、且つ再度、セル内部空間１０’から排出することができる。チャネル６’、７’、８’、９’は、セルフレーム素子３’内に完全に延在しており、セルフレーム素子３’のセル内部空間１０’に対して狭い側２０’、２１’における開口部１６’、１７’及び開口部１８’、１９’だけを有しているので、電解液が互いに混合する危険性、または電解液と電極５’との間の望ましくない接触の危険性はない。セル内部空間１０’は反応フェルト１３’を有する。従って、セル内部空間１０’を囲むセルフレーム素子３’のフレーム１１’を比較的狭く構築することができる。更に、セルフレーム素子３’を、セルの電極５’及び膜１５’に端部側で直接溶接することができる。該当する場合、更にセルフレーム素子３’を互いに直接溶接することができる。

図８に係わるセルに対しての変形例として、著しい複雑さ無しに、チャネル６’、７’、８’、９’を、片側が開口しているチャネルとしてセルフレーム素子３’に形成することができる。そのうえ、対応するセルフレーム素子３’を電極５’または膜１５’に溶接することによって、チャネル６’、７’、８’、９’をその端部側で閉じることができる。

図１０はセルスタックの別のセル１”の断面図である。セル１”は５つのセルフレーム素子２”、３”、４”を備え、ハーフセルのセル内部空間１０”を周辺で囲む２つのセルフレーム素子３”は、図９に示すセルフレーム素子３’に対応する。外側方向において、セルフレーム素子３”のセル内部空間１０”は、図１１に示す別のセルフレーム素子２”と、その別のセルフレーム素子２”に周辺で溶接される電極５”とによって閉鎖され、この溶接は、電極５”の縁部１２”に対してセルフレーム素子２”のフレーム１１”において行われる。セルフレーム素子２”と電極５”との間の対応する溶接継目は液密に構築される。更に、対応するセルフレーム素子２”、３”は、電解液がそれらのセルフレーム素子２”、３”の間で排出される可能性も無いように周辺で互いに直接溶接される。セルフレーム素子２”のフレーム１１”は、比較的狭く構築され、電解液の導入のためのチャネルは全く無しで済む。

セル１”の中央において、２つのハーフセルは、図１２に示す別のセルフレーム素子４”のフレーム１１”に溶接される膜１５”によって内側向きに閉じられ、この溶接は、膜１５”の縁部１６”に対して周辺で行われる。中央セルフレーム素子４”は、膜１５”に溶接されるだけでなく、両側で隣接しているセルフレーム素子３”に直接且つ周辺で溶接される。その結果、図１０に示すセル１”も、チャネル６”、７”、８”、９”を除いて液密に構築される。

Claims (15)

1. 少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）と、膜（１５）と、２つの電極（５）と、を有するレドックスフロー電池のセル（１）であって、前記少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）、前記膜（１５）、及び前記２つの電極（５）は、互いに分離している２つのセル内部空間（１０）を囲み、少なくとも４つの個別のチャネル（６、７、８、９）が、異なる電解質溶液が前記２つのセル内部空間（１０）を通って流れることができるように、前記少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）に設けられ、且つ前記セル（１）は、前記少なくとも４つの個別のチャネル（６、７、８、９）を除いて液密に構築されるセル（１）であって、少なくとも前記少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）は、前記膜（１５）、前記２つの電極（５）、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子（２、３、４）に溶接されることを特徴とするセル（１）。
2. 前記少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）は、前記膜（１５）、前記２つの電極（５）、及び／または少なくとも１つの別のセルフレーム素子（２、３、４）に、レーザー溶接、熱風溶接、加熱素子溶接、及び／または超音波溶接によって溶接されることを特徴とする請求項１に記載のセル。
3. 前記少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）、前記少なくとも１つの電極（５）、及び／または前記膜（１５）は、プラスチック材料及び／またはプラスチック材料を含む複合材料から形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセル。
4. 前記プラスチック材料は、熱可塑性材料、好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、及び／またはポリアミド（ＰＡ）であることを特徴とする請求項３に記載のセル。
5. 前記膜（１５）及び／または前記少なくとも１つの電極（５）は、セルフレーム素子（２、３、４）から液密にシールされるように射出成形または鋳造され、且つ／または前記膜（１５）及び／または前記少なくとも１つの電極（５）は、互いに溶接される２つのセルフレーム素子（２、３、４）の間の押圧によって液密に保持されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセル。
6. 前記少なくとも４つのチャネル（６、７、８、９）は、前記セル（１）及び／または少なくとも１つのセルフレーム素子（３）の少なくとも２つの狭い側（２０、２１）に開口部（１８、１９）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセル。
7. 前記膜（１５）及び／または少なくとも１つの電極（５）は少なくとも１つのセルフレーム素子（２、３、４）に溶接されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセル。
8. 少なくとも２つのセルフレーム素子（２、３、４）が設けられ、セルフレーム素子（２、３、４）は、前記膜（１５）、電極（５）、及び好ましくは前記別の電極（５）に溶接される別のセルフレーム素子（２）に溶接されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のセル。
9. ２つのセルフレーム素子（２、３、４）が互いに溶接され、且つ／または前記膜（１５）は２つのセルフレーム素子（３）に溶接されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のセル。
10. 少なくとも２つのセルフレーム素子（３）がそれぞれ電極（５）及び前記膜（１５）に溶接されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のセル。
11. 少なくとも５つのセルフレーム素子（２、３、４）が設けられ、前記２つの電極（５）及び前記膜（１５）は、各々別個のセルフレーム素子（２、４）に溶接され、前記５つのセルフレーム素子（２、３、４）は、好ましくは互いに溶接されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセル。
12. 前記電極（５）は、プラスチック材料と、好ましくはグラファイトの形態の導電性粒子との複合物から形成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセル。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の少なくとも１つのセル（１）が設けられていることを特徴とするレドックスフロー電池のセルスタック。
14. 前記少なくとも１つのセル（１）、具体的にはセルフレーム素子（２）または電極（５）は隣接のセル（１）のセルフレーム素子（２）に溶接されることを特徴とする請求項１３に記載のセルスタック。
15. 前記セル（１）は、隣接のセルのセルフレーム素子（３）に両端部面で溶接されており、その素子は好ましくは膜（１５）に溶接されることを特徴とする請求項１３または１４に記載のセルスタック。

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