WO2014198364A1 - Elektrodenmodul - Google Patents

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WO2014198364A1
WO2014198364A1 PCT/EP2014/001226 EP2014001226W WO2014198364A1 WO 2014198364 A1 WO2014198364 A1 WO 2014198364A1 EP 2014001226 W EP2014001226 W EP 2014001226W WO 2014198364 A1 WO2014198364 A1 WO 2014198364A1
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sealing frame
electrode
electrode module
module according
sealing
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PCT/EP2014/001226
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Peter Kritzer
Olaf Nahrwold
Olivier Jeanne
Susanne Zils
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Carl Freudenberg KG
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Carl Freudenberg KG
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrode module according to the preamble of
  • Patent claim 1 State of the art
  • a redox flow battery or redox flow cell where "Red” stands for reduction, ie electron uptake, and “Ox” stands for oxidation, ie electron emission, is an accumulator. This battery or cell stores electrical energy in chemical
  • Two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between those in the cell by means of a membrane
  • CONFIRMATION COPY ion exchange takes place.
  • the cell voltage is given by the Nernst equation and is between 0.8 and 2.2 V in practical systems.
  • the energy-storing electrolytes are stored outside the cell in separate tanks.
  • this cell is the only type of electrochemical energy storage, in which the amount of energy and power independent
  • the capacity of the battery system is ultimately determined by the tank size.
  • the power consumption and output capability is determined by the area of the battery
  • the current surface currents in electrodes are below 100 mA / cm 2 . In principle, it is possible to build many smaller modules or smaller modules.
  • Smaller modules consist of electrode surfaces whose format is smaller than about A3. Such modules are used for battery systems for "hourly energy storage".
  • An exemplary wind turbine with a capacity of 2 MW / 10 hours / charging efficiency 90% leads to a maximum required capacity of 18 MWh and thus a maximum required power consumption of 1.8 MW.
  • Large modules have electrode surfaces that are significantly larger than A3 size. Such modules are particularly interesting for storage factories with capacities »50 MWh, for example, for an uninterruptible
  • a galvanic cell is divided by a membrane into two half-cells. An electrolyte flows past the membrane. A half cell is delimited by electrodes at which the actual chemical reaction, namely reduction or oxidation, takes place.
  • the membrane is usually a selective anion or
  • Cation exchange membrane for example "Nafion” from DuPont
  • the membrane is intended to prevent the mixing of the two electrolytes, but to ensure an ion exchange
  • the electrodes exist because of their high electrochemical
  • the felts are usually used in sealing frames. These sealing frames in turn are pressed on both sides of the membrane.
  • the sealing frames are provided with a peripheral seal, in particular a sealing cord applied by bead application, or else a stamped, unprofiled flat gasket.
  • a peripheral seal in particular a sealing cord applied by bead application, or else a stamped, unprofiled flat gasket.
  • the problem here is that the seal presses from both sides on a relatively thin membrane whose thickness is usually less than 1 mm.
  • staggered seals which can occur due to manufacturing tolerances in the stack assembly, it can lead to an unwanted distortion of the membrane, whereby the membrane can be permanently damaged.
  • it is not possible to adapt the seal to locally different conditions.
  • neither sealing profiles nor a sealing order inside are possible.
  • the respective electrode solution in particular electrolyte with vanadium salts, generally flows along a plane through the electrode layer.
  • the sealing frame should be resistant to pressure fluctuations, especially during start-up procedures or possible blockages.
  • the sealing frame should be resistant to vibrations, e.g. are caused by pumps.
  • the sealing frame should be easy to assemble with respect to electrodes in the sealing frame or in relation to stacks. It should be possible long-term stable placement of a porous electrode. There should be no liquid flow past the electrode.
  • a felt or a graphite fleece or a carbonized fleece or a carbonized felt with high liquid overpressure is applied. This can - especially if possible
  • seal and the sealing frame must be designed so that in the later stack, the mechanical stress on the thin membrane can not lead to their uneven stress.
  • the invention is therefore based on the object of connecting an electrode to a sealing frame in such a way that the resulting
  • Electrode module can be used without problems in redox flow cells.
  • an electrode in order to be able to unfold its function, must have a high degree of openness or porosity. It has been recognized that an electrode can be mechanically connected to a sealing frame. It is surprising that, despite a mechanical attachment of the electrode whose porosity not
  • an electrode is connected to a sealing frame such that the resulting electrode module can be used without problems in redox flow cells. Consequently, the object mentioned above is achieved.
  • the electrode could have a fleece, which in the sealing frame a
  • Porosity showing 20% to 95%, preferably 50% to 95% of its porosity in the unpressed state. Although a fleece is ideally not pressed to show a high porosity, this results in a high
  • the electrode or the fleece is therefore mechanically fixed. However, the electrode has just been compressed so far that its porosity is almost nonexistent
  • a seal could be arranged on the sealing frame.
  • the sealing frame can be applied sealingly to a membrane or another sealing frame.
  • the seal can be designed as a circumferential sealing cord or as a molded seal.
  • On the sealing frame could be arranged a Hervane seal. As a result, the sealing effect is improved.
  • a circumferential groove allows to absorb a fleece under light pressure. The fleece can be pushed into the gutter.
  • the gutter could be outwardly tapered.
  • the inner diameter of the groove tapers, so that an electrode or a fleece in the interior of the frame largely uncompressed remains, but slightly in their peripheral areas
  • the gutter could have an undercut.
  • the electrode is only partially compressed and shows, moreover, a very high porosity.
  • a line pressure can be achieved in some areas, which fixes the electrode or the fleece in the sealing frame.
  • the sealing frame could be assigned a Verkrallungselement.
  • the Verkrallungselement could be configured as a hook, Velcro, larger hooks, smaller hooks, teeth or serrations within a groove.
  • the Verkrallungselement or the Verkrallungsieri can be configured as a hook, Velcro, larger hooks, smaller hooks, teeth or serrations within a groove.
  • the Verkrallungselement or the Verkrallungsieri can be configured as a hook, Velcro, larger hooks, smaller hooks, teeth or serrations within a groove.
  • Barbs form which is a detachment of the electrode from the
  • In or on the sealing frame could be at least one channel for a
  • Electrolyte be performed.
  • a filter element for an electrolyte could be arranged in the channel. Through a filter element suspended particles and impurities can be filtered out of the electrolyte.
  • the channel could project as a protuberance into the electrode.
  • the electrode can be supplied directly with a fluid.
  • the fluid can be very specifically spent in the interior of the electrode.
  • the sealing frame could be acid resistant or at least to the
  • the sealing frame could have polyolefin or polyester or polyoxymethylene.
  • the sealing frame could have other acid and oxidation stable thermoplastics such as PPS.
  • Two electrodes could be included in the sealing frame.
  • a sandwich-like arrangement of two electrodes in a sealing frame is possible.
  • Two sealing frames could be flush with each other.
  • a stack structure is possible.
  • the channels of the sealing frame could be aligned with each other and fluidly connected.
  • a fluid can be pumped simultaneously by means of a pump device through a plurality of sealing frames.
  • a seal in a connection piece is necessary.
  • a membrane could be positioned, which seals are assigned, which rest against the sealing frame.
  • Such a membrane can be used to realize a stack construction.
  • the seals on the membrane and / or on the sealing frame could be
  • Outflow elements may be integrated, which ensure the supply or the removal of the respective electrolyte from the sealing frame. Again, the uniformity of the inflow and outflow ensures the cell's performance.
  • the gasket could include EPDM or FKM or other polymers.
  • the gasket may also include thermoplastic elastomers such as TPE based on polyolefin. For smaller sealing frame geometries, two-component frames or profiled flat seals, which are captively received in sealing frames, are conceivable.
  • Seal a sealing cord conceivable, which is applied in and / or on the sealing frame.
  • negrator electrode namely an open-pore structure made of carbon and / or graphite, nonwoven, felt, paper or foam can be provided.
  • a fixation of the electrode could be done with an integrated hook in the sealing frame. At least on the upstream side, better also on the sides, the electrode could be fixed by Velcro elements. The fixation could take place in such a way that the inflowing and / or outflowing electrolyte solution can neither flow past the electrode at the top and / or bottom nor laterally.
  • the seal on the sealing frame could be designed to be as wide as possible, so that during compression always a manufacturing tolerances
  • Overlap region of two opposite sealing frame is present on the intermediate flexible membrane. It could be a multi-lipped design provided.
  • An electrolyte inflow and outflow could be integrated into the sealing frame.
  • holes, a wide shaft, nozzles and / or channels with integrated seal in the inlet and / or outlet could be provided.
  • the placement could be chosen such that the fleece is flown in the plane. It could be a holding function integrated into a nozzle or protuberance, which ensures that the fleece is flowed in the middle of the cross section.
  • Such an element ensures that precisely where, at
  • the fleece is optimally maintained.
  • the inlet and outlet could be designed as a nozzle, the drain as a collecting channel.
  • Plug-in pieces could be integrated in the sealing frame.
  • FIG. 1 is a side view and a plan view of an electrode module wherein in the left view of FIG. 1, a membrane is shown, which rests on the sealing frame, Fig. 2 three electrode modules, in which the sealing frame with a
  • Fig. 3 shows two electrode modules, wherein the sealing frame with a
  • Fig. 4 is a side view and a plan view of an electrode module in which Verkrallungsiana are provided which the
  • Electrode modules an electrode module in which channels are formed in the sealing frame, wherein the electrode is connected by Verkrallungsiana with the sealing channels, in the upper view, two electrode modules whose channels are aligned, and two in the lower view
  • Electrode modules which are arranged side by side and in which filter elements are arranged in the channels, two electrode modules, in which the fixing surfaces for the electrode are shown schematically, and in the left view, an arrangement of two
  • Electrode modules between which a membrane is arranged, in the middle view, a section of a membrane on which mutually offset seals are arranged, and in the right view another section of a membrane on which both sides very flat seals are arranged slightly offset.
  • Embodiment of the invention 1 shows in the left-hand view a sectional view of an electrode module for a redox flow battery, comprising an electrode 1 and a sealing frame 2.
  • the electrode 1 is mechanically connected to the sealing frame 2.
  • Fig. 1 shows a plan view of the electrode module.
  • the electrode 1 has a non-woven, which in the sealing frame 2 shows a porosity, the 20% to 80%, preferably 40% to 70%, of its porosity in
  • a seal 3 is arranged on the sealing frame 2.
  • the seal 3 also bears against a membrane 4.
  • Fig. 2 shows in the upper view a sealing frame 2, on which a seal 3 is arranged on both sides.
  • the sealing frame 2 has a channel 5.
  • a circumferential groove 5 is formed in the sealing frame 2.
  • the channel 5 is designed tapering outwards.
  • a sealing frame 2 which has a Verkrallungselement 6.
  • the Verkrallungselement 6 is formed as a hook, which engages in the electrode 1.
  • a sealing frame 2 is shown, in which a plurality of channels 7 are formed.
  • the sealing frame 2 of FIG. 2 are about 5 mm high, with a channel 7 has a diameter of about 2 mm.
  • Fig. 3 shows in a sectional view two sealing frame 2, which each have grooves 5, which are each provided with an undercut 8.
  • 4 shows an electrode module which has a clawing element 6, which is designed as a hook and projects into the interior of the electrode 1.
  • Fig. 5 shows three sectional views of sealing frame 2 in each of which grooves 5 are formed, each sealing frame 2 at least one
  • Verkrallungselement 6 is assigned.
  • Verkrallungs institute 6 small hooks in the manner of a hook and loop fastener.
  • Verkrallungselement 6 is provided, which from an upper edge of the
  • Sealing frame 2 protrudes into the flow plane of the electrode 1.
  • Fig. 6 shows in the left view an electrode module with a sealing frame 2, in which a channel 7 is formed.
  • the right-hand view according to FIG. 6 shows a plan view of this electrode module.
  • Fig. 7 shows various electrode modules in perspective view.
  • an electrode module is shown, in which the sealing frame 2 is coated with polyoxymethylene, a thermoplastic elastomer, a polyolefin or polyester.
  • the sealing frame 2 is coated at the areas with an acid-resistant plastic, which have contact with a liquid.
  • a sealing frame 2 is shown, in which three channels 7 are formed.
  • a sealing frame 2 which has a channel 7, which protrudes into the electrode 1 as a protuberance.
  • FIG. 8 shows an electrode module in whose sealing frame 2 channels 7
  • the electrode 1 is connected by Verkrallungs institute 6 with the channels 7.
  • the channels 7 protrude as protuberances into the interior of the electrode 1 and are simultaneously engaged with the electrode 1.
  • Fig. 9 shows an arrangement comprising at least two electrode modules of the type described here, wherein two sealing frame 2 are aligned with each other.
  • the channels 7 of the sealing frame 2 are aligned with each other and are fluid-conductively connected. Through the channels 7 a line 7 A is passed, which not only connects the sealing frame 2 with each other but also forms a common channel for a liquid.
  • channels 7 are provided, which project into the plane of the electrode 1, namely into the nonwoven plane, and are oriented parallel thereto.
  • the channels 7 may optionally be arranged in each case a filter element 9 for an electrolyte.
  • the channels 7 can be docked with gaskets on pipes.
  • Fig. 10 shows in the upper and lower views each have an electrode module, wherein the electrode 1 by Anbinde Jerusalem 10 to 14 each in a Sealing frame 2 are mechanically fixed.
  • the Anbinde Jerusalem 10 to 14 reduce the effective flow area 15 of the electrode first
  • FIG. 11 shows in the left view two electrode modules which enclose a membrane 4 between them. Between the membrane 4 and the two sealing frame 2 each have a seal 3 is arranged.
  • the middle view according to FIG. 11 shows that the seals 3 are arranged offset from one another.
  • FIG. 11 shows that flat seals 3 are arranged largely offset from one another on different sides of the membrane 4. It is also conceivable to use multi-lipped seals.

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Abstract

Ein Elektrodenmodul für eine Redox-Flow-Batterie, umfassend eine Elektrode (1) und einen Dichtrahmen (2), ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Elektrode derart mit einem Dichtrahmen zu verbinden, dass das daraus entstehende Elektrodenmodul problemlos in Redox-Flow-Zellen einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) mit dem Dichtrahmen (2) mechanisch verbunden ist.

Description

Elektrodenmodul
Beschreibung Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Elektrodenmodul gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Stand der Technik
Dezentrale Energieversorgungen erfordern neue Konzepte. Vor diesem Hintergrund sind bereits Redox-Flussbatterien oder Redox-Flow-Zellen bekannt.
Eine Redox-Flussbatterie oder Redox-Flow-Zelle, wobei„Red" für Reduktion, also Elektronenaufnahme, und„Ox" für Oxidation, also Elektronenabgabe steht, ist ein Akkumulator. Diese Batterie oder Zelle speichert elektrische Energie in chemischen
Verbindungen, indem die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen.
Zwei energiespeichernde Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle mittels einer Membran ein
BESTÄTIGUNGSKOPIE lonenaustausch erfolgt. Die Zellenspannung ist durch die Nernst-Gleichung gegeben und liegt bei praktischen Systemen zwischen 0,8 und 2,2 V.
Die energiespeichernden Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks gelagert. Damit ist diese Zelle der einzige Typ von elektrochemischen Energiespeichern, bei dem Energiemenge und Leistung unabhängig
voneinander skaliert werden können.
Die Kapazität des Batterie-Systems wird letztlich über die Tankgröße bestimmt. Die Leistungsaufnahme und -abgabefähigkeit wird über die Fläche der
Elektroden sowie deren spezifische Stromaufnahme / -abgäbe bestimmt.
Die derzeitigen Flächenströme in Elektroden liegen bei unterhalb 100 mA/cm2. Prinzipiell besteht hierbei die Möglichkeit, viele kleinere Module oder weniger große Module aufzubauen.
Kleinere Module bestehen dabei aus Elektrodenflächen, deren Format kleiner als etwa A3 ist. Solche Module werden für Batterie-Systeme für„Stunden- Energiespeicherung" eingesetzt.
Für die Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien, bei denen eine Energiespeicherung einer von einem Windrad über Nacht gewandelten
Energie erfolgen soll, kann die Kapazität oder Leistungsaufnahme wie folgt grob abgeschätzt werden:
Eine beispielhafte Windturbine mit einer Leistung von 2 MW / 10 Stunden / Lade-Wirkungsgrad = 90% führt zu einer maximal notwendigen Kapazität von 18 MWh und damit einer maximal notwendigen Leistungsaufnahme von 1 ,8 MW. Große Module besitzen Elektrodenflächen, die deutlich größer als A3-Format sind. Solche Module sind insbesondere interessant für Speicherfabriken mit Kapazitäten » 50 MWh, beispielsweise für eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung von Städten oder als chemische Alternative zu
Pumpspeicherkraftwerken.
Eine galvanische Zelle wird durch eine Membran in zwei Halbzellen geteilt. An der Membran fließt ein Elektrolyt vorbei. Eine Halbzelle wird durch Elektroden abgegrenzt, an der die eigentliche chemische Reaktion, nämlich Reduktion oder Oxidation, abläuft.
Die Membran ist in der Regel eine selektive Anionen- oder
Kationentauschermembran, beispielsweise„Nafion" von DuPont. Die Membran soll die Vermischung der beiden Elektrolyte verhindern, aber einen lonenaustausch sicher stellen. Es soll ein Ladungsausgleich des
Elektronenflusses durch den Verbraucher sicher gestellt sein.
Die Elektroden bestehen aufgrund ihres hohen elektrochemischen
Spannungsfensters sowie der meist sauren Bedingungen in wässrigen
Lösungen in der Regel aus Graphit oder Kohlenstoff. Für eine möglichst hohe spezifische Leistung werden als Elektrodenmaterial Graphitfilze oder -vliese oder karbonisierte Filze oder Vliese mit hoher spezifischer Oberfläche eingesetzt.
Die Filze werden in der Regel in Dichtrahmen eingesetzt. Diese Dichtrahmen wiederum werden beidseitig auf die Membran gepresst. Zur Erzielung der Dichtwirkung werden die Dichtrahmen mit einer umlaufenden Dichtung, insbesondere einer durch Raupenauftrag aufgebrachten Dichtschnur oder aber einer gestanzten, unprofilierten Flachdichtung, versehen. Problematisch hierbei ist, dass die Dichtung von beiden Seiten auf eine relativ dünne Membran presst, deren Dicke in der Regel kleiner 1 mm ist. Bei versetzten Dichtungen, welche durch Fertigungstoleranzen beim Stack- Zusammenbau auftreten können, kann es zu einem ungewollten Verspannen der Membran kommen, wodurch die Membran nachhaltig geschädigt werden kann. Zudem ist kein Anpassen der Dichtung an lokal verschiedene Gegebenheiten möglich. Weiterhin sind weder Dichtungsprofile noch ein Dichtungsauftrag nach innen möglich.
Die jeweilige Elektrodenlösung, insbesondere Elektrolyt mit Vanadiumsalzen, strömt in der Regel entlang einer Ebene durch die Elektrodenschicht.
Wesentlich hierbei ist eine gute Homogenität der Strömung, nämlich, dass keine nicht-umspülten Bereiche in den Elektrodenmaterialien auftreten. Ein möglichst geringer Strömungsverlust bzw. Druckabfall ist ebenfalls
anzustreben, da hierdurch die Effizienz des Systems verbessert wird.
Dennoch ist eine genügend lange Verweilzeit erwünscht, so dass die Oxidation bzw. Reduktion der gelösten Salze problemlos und vollständig ablaufen kann. Hieraus ergeben sich folgende technische Herausforderungen:
Es besteht ein Bedarf nach serientauglichen Dichtrahmen mit einer
Lebensdauer von mindestens 10 Jahren. Es soll kein chemischer Abbau der verwendeten Materialien auftreten. Der Dichtrahmen soll druckschwankungsresistent sein, insbesondere bei Anfahrvorgängen oder eventuellen Verstopfungen.
Der Dichtrahmen soll resistent gegenüber Vibrationen sein, die z.B. durch Pumpen bedingt sind.
Der Dichtrahmen soll leicht zusammensetzbar sein in Bezug auf Elektroden im Dichtrahmen oder in Bezug auf Stacks. Es soll eine langzeitstabile Platzierung einer porösen Elektrode möglich sein. Es sollen keine an der Elektrode vorbeiführenden Flüssigkeitsströme auftreten.
Bei gewünschter guter Umspülung wird ein Filz oder ein Graphitvlies oder ein karbonisiertes Vlies oder ein karbonisierter Filz mit hohem Flüssigkeits- Überdruck angeströmt. Dadurch kann es - vor allem bei möglichen
Druckstößen - im Stack nach oben gedrückt werden. Eine Zelle ist dann nicht mehr funktionsfähig.
Eine zu feste Fixierung des Filzes oder Vliesstoffes - beispielsweise durch zu starke Verklemmung - führt allerdings zu einem erhöhten
Strömungswiderstand und somit zu einer Verringerung der Leistungsaufnahme oder -abgäbe der Zelle.
Zudem muss sichergestellt werden, dass der Vliesstoff auch in den
Seitenbereichen bündig am Dichtrahmen anliegt, sodass kein Strömungspfad der Elektrolytlösung um eine Elektrode aus Vlies herum erfolgen kann.
Dies ist umso wichtiger, als dass der Strömungswiderstand um die Elektrode herum deutlich geringer ist als der durch die Elektrode hindurch. Eine nicht passend im Rahmen anliegende Elektrode aus Vlies führt demnach zu einer deutlichen Verringerung der Effizienz des Batteriesystems.
Bei der Montage von Dichtrahmen und Elektrode muss daher sichergestellt werden, dass die Elektrode spielfrei im Dichtrahmen sitzt, nicht zu stark verpresst ist und dennoch durch den in der Ebene strömenden Elektrolyten nicht verschoben, gefaltet oder weggespült werden kann.
Darüber hinaus müssen die Dichtung und der Dichtrahmen so ausgestaltet werden, dass im späteren Stack die mechanische Belastung auf die dünne Membran nicht zu deren ungleichmäßiger Beanspruchung führen kann.
Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode derart mit einem Dichtrahmen zu verbinden, dass das daraus entstehende
Elektrodenmodul problemlos in Redox-Flow-Zellen einsetzbar ist.
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass eine Elektrode, um Ihre Funktion entfalten zu können, eine hohe Offenheit bzw. Porosität aufweisen muss. Darauf ist erkannt worden, dass eine Elektrode mechanisch mit einem Dichtrahmen verbunden werden kann. Überraschend ist hierbei, dass trotz einer mechanischen Befestigung der Elektrode deren Porosität nicht
eingeschränkt wird. Insoweit ist eine Elektrode derart mit einem Dichtrahmen verbunden, dass das daraus entstehende Elektrodenmodul problemlos in Redox-Flow-Zellen einsetzbar ist. Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
Die Elektrode könnte ein Vlies aufweisen, welches im Dichtrahmen eine
Porosität zeigt, die 20% bis 95%, bevorzugt 50% bis 95% seiner Porosität im unverpressten Zustand zeigt. Zwar ist ein Vlies idealerweise nicht verpresst, um eine hohe Porosität zu zeigen, jedoch ergibt sich hierbei eine hohe
Wanderungsgefahr des Vlieses relativ zum Dichtrahmen.
Die Elektrode bzw. das Vlies ist daher mechanisch fixiert. Die Elektrode ist jedoch gerade soweit verpresst, dass deren Porosität nahezu nicht
beeinträchtigt wird. Schließlich soll eine Fließgeschwindigkeit von mehr als einem Liter pro Minute durch einen Dichtrahmen realisiert werden.
Vor diesem Hintergrund könnte am Dichtrahmen eine Dichtung angeordnet sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann der Dichtrahmen an eine Membran oder einen weiteren Dichtrahmen dichtend angelegt werden. Die Dichtung kann als umlaufende Dichtschnur oder als angespritzte Dichtung ausgestaltet sein. Am Dichtrahmen könnte eine mehrlippige Dichtung angeordnet sein. Hierdurch wird die Dichtungswirkung noch verbessert.
Im Dichtrahmen könnte eine umlaufende Rinne ausgebildet sein. Eine umlaufende Rinne erlaubt es, ein Vlies unter leichter Pressung aufzunehmen. Das Vlies kann in die Rinne hineingeschoben werden.
Die Rinne könnte nach außen konisch zulaufend ausgestaltet sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung verjüngt sich der Innendurchmesser der Rinne, so dass eine Elektrode bzw. ein Vlies im Inneren des Rahmens weitgehend unkomprimiert verbleibt, jedoch in ihren Randbereichen leicht
zusammengedrückt wird.
Die Rinne könnte einen Hinterschnitt aufweisen. Durch einen Hinterschnitt wird die Elektrode nur teilweise komprimiert und zeigt im Übrigen eine sehr hohe Porosität. Durch einen Hinterschnitt kann bereichsweise eine Linienpressung erzielt werden, welche die Elektrode bzw. das Vlies im Dichtrahmen fixiert.
Dem Dichtrahmen könnte ein Verkrallungselement zugeordnet sein. Ein
Verkrallungselement kann in die Elektrode hineingreifen und diese fixieren. Das Verkrallungselement könnte als Haken, Klettverschluss, größerer Haken, kleinerer Haken, Zähne oder Zahnungen innerhalb einer Rinne ausgestaltet sein. Das Verkrallungselement bzw. die Verkrallungselemente können
Widerhaken ausbilden, welche ein Herauslösen der Elektrode aus dem
Dichtrahmen verhindern.
Im oder am Dichtrahmen könnte mindestens ein Kanal für einen
Elektrolyttransport ausgebildet sein. Durch einen solchen Kanal kann
Elektrolytflüssigkeit geführt werden.
Im Kanal könnte ein Filterelement für einen Elektrolyten angeordnet sein. Durch ein Filterelement können Schwebeteilchen und Verunreinigungen aus dem Elektrolyten herausgefiltert werden. Der Kanal könnte als Ausstülpung in die Elektrode hineinragen. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann die Elektrode direkt mit einem Fluid versorgt werden. Das Fluid kann ganz gezielt in das Innere der Elektrode verbracht werden. Der Dichtrahmen könnte säurebeständig sein oder zumindest an den
Bereichen mit einem säurebeständigen Kunststoff beschichtet sein, welche mit einer Flüssigkeit Kontakt haben. Der Dichtrahmen könnte Polyolefin oder auch Polyester oder Polyoxymethylen aufweisen. Der Dichtrahmen könnte weitere säure- und oxidationsstabile Thermoplaste wie PPS aufweisen.
Zwei Elektroden könnten im Dichtrahmen aufgenommen sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung ist eine sandwichartige Anordnung zweier Elektroden in einem Dichtrahmen möglich.
Zwei Dichtrahmen könnten miteinander fluchtend aneinander liegend. Durch diese konkrete Ausgestaltung ist ein Stack-Aufbau möglich.
Die Kanäle der Dichtrahmen könnten miteinander fluchten und fluidleitend verbunden sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann ein Fluid mittels einer Pumpeinrichtung durch mehrere Dichtrahmen gleichzeitig gepumpt werden. Hierbei ist eine Dichtung in einem Verbindungsstutzen notwendig.
Zwischen den Dichtrahmen könnte eine Membran positioniert sein, welcher Dichtungen zugeordnet sind, die an den Dichtrahmen anliegen. Eine solche Membran kann verwendet werden um einen Stack-Aufbau zu realisieren. Die Dichtungen an der Membran und/ oder an den Dichtrahmen könnten
angespritzt, angeklebt oder angegossen sein. Weiterhin können in den Dichtrahmen Zuströmungs- und
Abströmungselemente integriert sein, welche die Zufuhr bzw. den Abtransport des jeweiligen Elektrolyten aus dem Dichtrahmen sicherstellen. Hierbei stellt wiederum die Gleichmäßigkeit der An- und Abströmung die Leistungsfähigkeit der Zelle sicher. Die Dichtung könnte EPDM oder FKM oder weitere Polymere aufweisen. Die Dichtung kann auch thermoplastische Elastomere, wie zum Beispiel TPE, basierend auf Polyolefin, aufweisen. Bei kleineren Dichtrahmengeometrien sind 2-Komponenten-Rahmen oder profilierte Flachdichtungen, welche verliersicher in Dichtrahmen aufgenommen sind, denkbar.
Bei großen Rahmengeometrien, nämlich größer als A3-Format, ist als
Dichtung eine Dichtschnur denkbar, welche in und/ oder auf den Dichtrahmen aufgebracht ist.
Es könnte eine negrierte Elektrode, nämlich ein offenporiges Gebilde aus Kohlenstoff und/ oder Graphit, Vliesstoff, Filz, Papier oder Schaum vorgesehen sein.
Es könnte eine Einpassung der Elektrode unter Vermeidung eines
Vorbeiströmens vorgesehen sein. Es könnten konische Kerben im Dichtrahmen vorgesehen sein. Es könnte eine weiche Dichtung in diesem Bereich vorgesehen sein.
Es könnte ein Hinterschnitt vorgesehen sein, so dass die Elektrode bei der Assemblierung leicht in den Dichtrahmen eingeführt werden kann.
Eine Fixierung der Elektrode könnte mit einem im Dichtrahmen integrierten Haken erfolgen. Zumindest an der Anströmseite, besser auch zusätzlich an den Seiten, könnte die Elektrode durch Klettverschluss-Elemente fixiert sein. Die Fixierung könnte derart erfolgen, dass die einströmende und/ oder ausströmende Elektrolytlösung weder oben und/ oder unten noch seitlich an der Elektrode vorbei strömen kann. Die Dichtung am Dichtrahmen könnte möglichst breit ausgelegt sein, so dass beim Verpressen auch bei Fertigungstoleranzen immer ein
Überlappungsbereich zweier gegenüber liegender Dichtrahmen auf die dazwischen liegende flexible Membran vorliegt. Es könnte ein mehrlippiges Design vorgesehen sein. Eine Elektrolyt- Einströmung und Ausströmung könnte in den Dichtrahmen integriert sein. Hierzu könnten Bohrungen, ein breiter Schacht, Düsen und/ oder Kanäle mit integrierter Dichtung im Zulauf und/ oder Ablauf vorgesehen sein. Die Platzierung könnte derart gewählt sein, dass das Vlies in der Ebene angeströmt wird. Es könnte eine Haltefunktion in eine Düse oder Ausstülpung integriert sein, die sicherstellt, dass das Vlies im Querschnitt mittig angeströmt wird. Ein solches Element stellt sicher, dass gerade dort, wo beim
Durchströmen die höchste Belastung vorliegt, das Vlies optimal gehalten wird.
Andere Ausführungen für den Zulauf und Ablauf sind denkbar. Der Zulauf könnte als Düse, der Ablauf als Sammelkanal ausgebildet sein.
Steckstücke könnten in den Dichtrahmen integriert sein.
Es könnte eine Verbindung zu benachbarten Dichtrahmen bestehen.
Es könnte eine Verbindung zu einem Träger und/ oder Rohr bestehen, durch welche die Elektrolyt-Lösung strömt. Es könnte ein integrierter, ggf. leicht austauschbarer Filter, nämlich eine Gewebe- oder Vliesnetz-Schublade, vorgesehen sein.
Es könnte eine integrierte Sensorik vorgesehen sein, welche Temperatur, Druck, Leckage und/ oder Verstopfung durch z.B. Kontaminations-Partikel erfasst.
Es könnte eine intelligente Steuerung vorgesehen sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf ein Elektrodenmodul wobei in der linken Darstellung der Fig. 1 eine Membran gezeigt ist, welche auf dem Dichtrahmen aufliegt, Fig. 2 drei Elektrodenmodule, bei welchen die Dichtrahmen mit einer
Rinne versehen sind,
Fig. 3 zwei Elektrodenmodule, bei welchen die Dichtrahmen mit einem
Hinterschnitt versehen sind
Fig. 4 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf ein Elektrodenmodul bei welchem Verkrallungselemente vorgesehen sind, welche die
Elektrode fixieren drei Schnittansichten von Dichtrahmen, welchen jeweils
verschiedene Verkrallungselemente zugeordnet sind, eine Schnittansicht und eine Draufsicht auf ein Elektrodenmodul, in dessen Dichtrahmen Kanäle ausgebildet sind, drei perspektivische Ansichten unterschiedlicher
Elektrodenmodule, ein Elektrodenmodul, bei welchem im Dichtrahmen Kanäle ausgebildet sind, wobei die Elektrode durch Verkrallungselemente mit den Dichtkanälen verbunden ist, in der oberen Ansicht zwei Elektrodenmodule, deren Kanäle miteinander fluchten, und in der unteren Ansicht zwei
Elektrodenmodule, welche nebeneinander angeordnet sind und bei denen in den Kanälen Filterelemente angeordnet sind, zwei Elektrodenmodule, bei welchen die Fixierflächen für die Elektrode schematisch dargestellt sind, und in der linken Ansicht eine Anordnung aus zwei
Elektrodenmodulen, zwischen denen eine Membran angeordnet ist, in der mittleren Ansicht einen Ausschnitt einer Membran, auf welcher beidseitig versetzte Dichtungen angeordnet sind, und in der rechten Ansicht einen weiteren Ausschnitt einer Membran, auf welcher beidseitig sehr flache Dichtungen leicht versetzt angeordnet sind.
Ausführung der Erfindung Fig. 1 zeigt in der linken Ansicht eine Schnittansicht eines Elektrodenmoduls für eine Redox-Flow-Batterie, umfassend eine Elektrode 1 und einen Dichtrahmen 2. Die Elektrode 1 ist mit dem Dichtrahmen 2 mechanisch verbunden.
Die rechte Ansicht der Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf das Elektrodenmodul.
Die Elektrode 1 weist ein Vlies auf, welches im Dichtrahmen 2 eine Porosität zeigt, die 20% bis 80%, bevorzugt 40% bis 70%, seiner Porosität im
unverpressten Zustand zeigt.
In der linken Ansicht gemäß Fig. 1 ist gezeigt, dass am Dichtrahmen 2 eine Dichtung 3 angeordnet ist. Die Dichtung 3 liegt außerdem an einer Membran 4 an.
Fig. 2 zeigt in der oberen Ansicht einen Dichtrahmen 2, an welchem beidseits eine Dichtung 3 angeordnet ist. Der Dichtrahmen 2 weist eine Rinne 5 auf. Insoweit ist im Dichtrahmen 2 eine umlaufende Rinne 5 ausgebildet. Die Rinne 5 ist nach außen konisch zulaufend ausgestaltet.
In der mittleren Ansicht der Fig. 2 ist ein Dichtrahmen 2 gezeigt, welcher ein Verkrallungselement 6 aufweist. Das Verkrallungselement 6 ist als Haken ausgebildet, welcher in die Elektrode 1 eingreift. In der untersten Ansicht der Fig. 2 ist ein Dichtrahmen 2 gezeigt, in welchem mehrere Kanäle 7 ausgebildet sind. Die Dichtrahmen 2 gemäß Fig. 2 sind etwa 5 mm hoch, wobei ein Kanal 7 einen Durchmesser von etwa 2 mm zeigt.
Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht zwei Dichtrahmen 2, welche jeweils Rinnen 5 aufweisen, die jeweils mit einem Hinterschnitt 8 versehen sind. Fig. 4 zeigt ein Elektrodenmodul, welches ein Verkrallungselement 6 aufweist, welches als Haken ausgebildet ist und ins Innere der Elektrode 1 hineinragt. Fig. 5 zeigt drei Schnittansichten von Dichtrahmen 2 in denen jeweils Rinnen 5 ausgebildet sind, wobei jedem Dichtrahmen 2 mindestens ein
Verkrallungselement 6 zugeordnet ist.
In der linken Ansicht gemäß Fig. 5 sind als Verkrallungselemente 6 kleine Haken nach Art eines Klettverschlusses angeordnet.
In der mittleren Ansicht gemäß Fig. 5 sind kleine Haken als Widerhaken ausgebildet, diese Widerhaken bilden die Verkrallungselemente 6. In der rechten Ansicht gemäß Fig. 5 ist ein großer Haken als
Verkrallungselement 6 vorgesehen, welcher von einer Oberkante des
Dichtrahmens 2 in die Durchströmungsebene der Elektrode 1 hineinragt.
Fig. 6 zeigt in der linken Ansicht ein Elektrodenmodul mit einem Dichtrahmen 2, in welchem ein Kanal 7 ausgebildet ist. Die rechte Ansicht gemäß Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf dieses Elektrodenmodul.
Fig. 7 zeigt verschiedene Elektrodenmodule in perspektivischer Ansicht. In der obersten Ansicht gemäß Fig. 7 ist ein Elektrodenmodul gezeigt, bei welchem der Dichtrahmen 2 mit Polyoxymethylen, einem thermoplastischen Elastomer, einem Polyolefin oder Polyester beschichtet ist. Hierdurch ist der Dichtrahmen 2 an den Bereichen mit einem säurebeständigen Kunststoff beschichtet, welche mit einer Flüssigkeit Kontakt haben. In der mittleren Ansicht gemäß Fig. 7 ist ein Dichtrahmen 2 gezeigt, in welchem drei Kanäle 7 ausgebildet sind.
In der unteren Ansicht gemäß Fig. 7 ist ein Dichtrahmen 2 dargestellt, welcher einen Kanal 7 aufweist, der als Ausstülpung in die Elektrode 1 hineinragt.
Fig. 8 zeigt ein Elektrodenmodul, in dessen Dichtrahmen 2 Kanäle 7
ausgebildet sind, wobei die Elektrode 1 durch Verkrallungselemente 6 mit den Kanälen 7 verbunden ist. Die Kanäle 7 ragen als Ausstülpungen in das Innere der Elektrode 1 hinein und sind zugleich mit der Elektrode 1 verkrallt.
Fig. 9 zeigt eine Anordnung, umfassend mindestens zwei Elektrodenmodule der hier beschriebenen Art, wobei zwei Dichtrahmen 2 miteinander fluchtend aneinander liegen.
In der oberen Ansicht gemäß Fig. 9 ist dargestellt, dass die Kanäle 7 der Dichtrahmen 2 miteinander fluchten und fluidleitend verbunden sind. Durch die Kanäle 7 ist eine Leitung 7A hindurchgeführt, welche nicht nur die Dichtrahmen 2 miteinander verbindet sondern auch einen gemeinsamen Kanal für eine Flüssigkeit ausbildet.
In der unteren Ansicht gemäß Fig. 9 sind Kanäle 7 vorgesehen, welche in die Ebene der Elektrode 1 nämlich in die Vliesebene hineinragen und parallel zu dieser orientiert sind. In den Kanälen 7 kann optional jeweils ein Filterelement 9 für einen Elektrolyten angeordnet sein.
Die Kanäle 7 sind mit Dichtungen an Rohren andockbar.
Fig. 10 zeigt in der oberen und unteren Ansicht jeweils ein Elektrodenmodul, bei welchem die Elektrode 1 durch Anbindeflächen 10 bis 14 jeweils in einem Dichtrahmen 2 mechanisch fixiert sind. Die Anbindeflächen 10 bis 14 reduzieren die wirksame Durchströmungsfläche 15 der Elektrode 1.
Fig. 11 zeigt in der linken Ansicht zwei Elektrodenmodule, welche zwischen sich eine Membran 4 einschließen. Zwischen der Membran 4 und den beiden Dichtrahmen 2 ist jeweils eine Dichtung 3 angeordnet.
Die mittlere Ansicht gemäß Fig. 11 zeigt, dass die Dichtungen 3 versetzt zueinander angeordnet sind.
Die rechte Ansicht gemäß Fig. 11 zeigt, dass flache Dichtungen 3 weitgehend versetzt zueinander, auf verschiedenen Seiten der Membran 4 angeordnet sind. Denkbar ist auch die Verwendung mehrlippiger Dichtungen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrodenmodul für eine Redox-Flow-Batterie, umfassend eine
Elektrode (1) und einen Dichtrahmen (2),
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) mit dem Dichtrahmen (2) mechanisch verbunden ist.
2. Elektrodenmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) ein Vlies aufweist, welches im Dichtrahmen (2) eine
Porosität zeigt, die 20% - 95%, bevorzugt 50% - 95%, seiner Porosität im unverpressten Zustand zeigt.
3. Elektrodenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Dichtrahmen (2) eine Dichtung (3) angeordnet ist.
4. Elektrodenmodul nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass am Dichtrahmen (2) eine mehrlippige Dichtung angeordnet ist.
5. Elektrodenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Dichtrahmen (2) eine umlaufende Rinne (5) ausgebildet ist.
6. Elektrodenmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (5) nach außen konisch zulaufend ausgestaltet ist.
7. Elektrodenmodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (5) einen Hinterschnitt (8) aufweist.
8. Elektrodenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dichtrahmen (2) ein Verkraiiungselement (6) zugeordnet ist.
9. Elektrodenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Dichtrahmen (2) mindestens ein Kanal (7) für einen Elektrolyttransport ausgebildet ist.
10. Elektrodenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal (7) ein Filterelement (9) für einen Elektrolyten angeordnet ist.
11. Elektrodenmodul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (7) als Ausstülpung in die Elektrode hinein ragt.
12. Elektrodenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrahmen (2) säurebeständig ist oder zumindest an den Bereichen mit einem säurebeständigen Kunststoff beschichtet ist, welche mit einer Flüssigkeit Kontakt haben.
13. Elektrodenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (1) im Dichtrahmen (2)
aufgenommen sind.
14. Anordnung, umfassend mindestens zwei Elektrodenmodule nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zwei Dichtrahmen (2) miteinander fluchtend aneinander liegen.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kanäle (7) der Dichtrahmen (2) miteinander fluchten und fluidleitend verbunden sind. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dichtrahmen (2) eine Membran (4) positioniert ist, welcher Dichtungen (3) zugeordnet sind, die an den Dichtrahmen (2) anliegen.
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