WO2015135771A1 - Verbund von elektrochemischen zellen - Google Patents

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WO2015135771A1
WO2015135771A1 PCT/EP2015/054233 EP2015054233W WO2015135771A1 WO 2015135771 A1 WO2015135771 A1 WO 2015135771A1 EP 2015054233 W EP2015054233 W EP 2015054233W WO 2015135771 A1 WO2015135771 A1 WO 2015135771A1
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electrodes
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PCT/EP2015/054233
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Hannes BARSCH
Sven Worm
Christian Schmid
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Schmid Energy Systems Gmbh
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    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a composite of electrochemical cells, in particular for a redox flow battery, with series-connected cells, each having an anodic half-cell and an adjacent cathodic half-cell, which are interconnected by an ion-conducting membrane, and with electrodes, the extend in the half-cells, wherein the half-cells are each enclosed by an electrically insulating cell wall and are filled with electrochemically active media.
  • a redox flux battery stores electrical energy in chemical compounds by the reactants are present in a solvent in dissolved form.
  • redox flow cell stores electrical energy in chemical compounds by the reactants are present in a solvent in dissolved form.
  • the two energy-storing electrolytes circulate in two separate circuits, between which the ion exchanger Exchange in the cell via an ion-conducting membrane.
  • the energy-storing electrolytes are stored outside the cell in separate tanks.
  • Redox flow batteries are based on the principle that two electrolytes flow through the half cells of an electrochemical cell, changing their oxidation state on the surface of the electrodes. The emitted or absorbed in the half-cell reactions electrons perform work on the external circuit.
  • porous carbon or graphite is mostly used as electrode material, which is flowed through by the electrolyte.
  • the half-cells are usually stacked coplanar (see EP 2 648 257 A1), wherein the flow of electrolyte leads from one end face of the electrode material to the other.
  • the passage of the electrode material in the cell plane causes a high pressure drop and a high difference in the concentration of the reactive species between the inlet and outlet side.
  • the half-cells are separated by a thin, ion-conducting plastic membrane.
  • the cells stacked coplanar are usually electrically connected to each other via bipolar plates made of a carbon-plastic composite, which simultaneously prevent an exchange of electrolytes between two cells.
  • the bipolar plates and the porous electrode materials typically graphite felt
  • the components are pressed perpendicular to the cell planes. This results in undesirable compression of the porous electrode material, which increases the hydrodynamic flow resistance in the cell and, over time, crumbles the porous electrode material.
  • the functional materials are stacked coplanar. In order to build up the system in a fluid-tight manner, seals are required at the interfaces between the functional materials.
  • the cells are interconnected via special bipolar plates. This should reduce the flow resistance.
  • the arrangement is very complicated.
  • the use of bipolar plates is to be regarded as disadvantageous.
  • the material and assembly costs are high.
  • seals are required that can leak.
  • contact resistances to the electrodes result.
  • the known composites of electrochemical cells, which are used in particular in redox flow batteries thus have significant disadvantages, in particular a complicated structure, a high internal resistance and low efficiency of the electrochemical cell assembly.
  • the invention has for its object to provide an improved composite of electrochemical cells in which the cells are connected in series with each other and what with a simplified structure and in particular a reduced internal resistance results.
  • This object is achieved by a combination of electrochemical cells, in particular for a redox flow battery, with series-connected cells, each having an anodic half-cell and an adjacent cathodic half-cell, which are interconnected by an ion-conducting membrane, and with Electrodes which extend in the half-cells, wherein the half-cells are each enclosed by an electrically insulating cell wall and are filled with electrochemically active media, and wherein selected adjacent half-cells are connected in series by monolithic electrodes.
  • the membrane extends in a plane, wherein on a first membrane side alternately anodic and cathodic half-cells are arranged adjacent to each other along the membrane, wherein on a second side of the membrane complementary cathodic and anodic half-cells adjacent to each other along the membrane are arranged so that along the membrane a series of adjacent cells of alternating orientation is formed, wherein alternately each adjacent half-cells are insulated on one membrane side against each other and the associated half-cells are electrically connected to each other on the other membrane side via a monolithic electrode, so that a meandering current path through the Cells results.
  • the meandering current path preferably runs alternately from a half cell on one side of the membrane through the membrane in the associated half cell on the other side of the membrane, from there via a monolithic electrode in the adjacent half cell on the same membrane side, from there through the membrane back to opposite membrane side in the associated half-cell, from where the current path either in a corresponding manner continues depending on the number of arranged along the membrane half-cells or is passed through an electrode through a cell wall to the outside.
  • the half-cells each have inflow and outflow openings for flow with electrochemically active medium.
  • the cross sections of the half-cells along the flow direction of the electrochemically active medium are varied in order to counteract a pressure drop along the respective flow path.
  • the inflow openings and the outflow openings at the ends of a respective half-cell with respect to an electrode extending therein are arranged on opposite sides of the electrode.
  • the inflow and outflow openings are arranged on the same side of the membrane at opposite end faces of the respective half-cell.
  • the monolithic electrodes are formed as porous electrodes, which are compacted in the region of the passage through the cell wall each with a plastic to a fluid-tight, electrically conductive solid, which is fluid-tightly connected to the cell wall.
  • the cell wall is preferably formed as a plastic part, which is in the region of the implementation in each case materially connected and preferably positively connected to the electrode.
  • the cell wall and the respective electrode in the region of the implementation as an integral part, preferably as an integral injection-molded part formed.
  • the electrodes may advantageously consist of an open-cell foam, a felt, a non-woven or a fabric.
  • the electrodes consist of a carbon modification, in particular graphite or carbon fibers, a metal or a conductive ceramic.
  • graphite electrodes have been found to be particularly effective in conjunction with such cell composites.
  • the electrodes are compacted with a thermoplastic, in particular polypropylene or polyethylene, or with a thermosetting plastic, in particular a UV-curable plastic or a two-component adhesive, at least in the region of the implementation.
  • a thermoplastic in particular polypropylene or polyethylene
  • a thermosetting plastic in particular a UV-curable plastic or a two-component adhesive
  • the electrodes are arranged substantially parallel to the membrane.
  • the electrodes are mat-shaped.
  • the cell walls and the electrodes are connected in the region of the passages through the cell walls in a common shaping step, preferably by injection molding.
  • the electrodes of the first and the last connected in series with each other cells are formed as porous electrodes, which are compacted in the region of the respective passage through the cell wall each with a plastic to a fluid-tight, electrically conductive, solid , which is fluid-tightly connected to the cell wall.
  • the electrodes are provided outside the cell walls with a coating of an electrically conductive material, preferably of copper or silver, preferably provided with a galvanically applied coating or with a sprayed coating. In this way results in a simple and effective contacting of the electrodes outside the cells.
  • the electrodes are provided with contact layers, which are preferably connected via recesses in the contact layers cohesively with the porous electrodes and thus pressed and are guided by the cell walls to the outside.
  • a redox flux battery can be constructed in a simple manner using the composite according to the invention.
  • a storage for a catholyte and an accumulator for anolyte are provided, which are in each case via a pump and associated lines with the cathodic half-cells and the anodic half-cells in communication to flow through them.
  • the circuit is closed via a load or a voltage source, wherein the connection via associated electrode connections takes place at the first and last cell of the network.
  • All cathodic half-cells and all anodic half-cells are in this case preferably connected in parallel in terms of flow and are coupled via corresponding distributors with the accumulators for the catholyte or the anolyte.
  • a composite of electrochemical cells according to the invention can be produced in a simple manner by first producing a first half-composite and a second half-composite each having a sequence of half-cells by a shaping process, such as injection molding, from plastic and then interposing a membrane with each other be connected, preferably cohesively, such as by spraying or gluing, or positively, for example by riveting or screwing.
  • a shaping process such as injection molding
  • the electrodes are produced from a continuous electrode material which is inserted into the associated shape, and in the areas in which an electrical insulation between adjacent half-cells is desired by a subtractive processing step, such as punching, Cutting, laser ablation, spark erosion, is removed.
  • the electrodes are made of a continuous electrode material which is inserted into the associated shape and in the areas in which an electrical insulation between adjacent half-cells is desired, by a specific shape of the injection mold used and a corresponding local control the injection pressure is separated locally and isolated by injected plastic.
  • FIG. 1 shows a cross section through a cell with a porous electrode which is compacted and sealed in the region of a passage through the cell wall by means of plastic;
  • Figure 2 is a simplified schematic representation of a composite of electrochemical cells according to the invention, which are connected in series with each other.
  • Fig. 3 is a longitudinal section through one of the half-cells of FIG. 2, from which
  • FIG. 4 shows a cross section through one of the half-cells according to FIG. 2 in an enlarged view
  • FIG. 5 is a plan view of the electrode of FIG. 3, before the upper part of
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the composite according to FIG. 2;
  • Fig. 7 is a longitudinal section through one of the half-cells of FIG. 6, from which
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a redox flow cell using a composite of cells according to FIG. 2.
  • Fig. 1 shows an electrochemical cell, which is designated overall by the numeral 10.
  • the cell 10 has a cell wall 12 of a thermoplastic, such as polypropylene, which encloses a cavity 14.
  • the cavity 14 is filled with an electrochemically active medium 16.
  • an electrode 18 which interacts with the medium within the cavity 14.
  • the electrode 18 is in this case passed through the cell wall 12 to the outside in the region of a passage 17 and in this case sealed fluid-tight with the cell wall 12.
  • the electrode 18 is comprised of a graphite felt having a high active surface to allow good interaction with the medium 16 within the cavity 14.
  • the electrode 18 is provided with a coating 19 made of an electrically highly conductive material, such as copper or silver, for good contact.
  • FIG. 2 an inventive composite of electrochemical cells, which are connected in series with each other, shown schematically and designated by the numeral 20 in total.
  • the composite 20 has a series of juxtaposed cells 26, 26a, 26b, each consisting of two half-cells, which are arranged on both sides of a membrane 22.
  • the membrane 22 extends in a plane.
  • the cells 26, 26a, 26b are now arranged side by side along the membrane 22 such that on the first side of the membrane 22 (upper side) there is a cathodic half cell 27 followed by an anodic half cell 27a of the neighboring cell 26a, again followed by an anodic half cell 27b of the neighboring cell 26b.
  • electrodes 18, 18a, 18b, 18c extend parallel to the membrane 22, wherein these are mat-shaped as porous electrodes, such as graphite felt, designed.
  • the arrangement of the cells 26, 26a, 26b of the composite 20 is now made such that the polarity of the cells 26, 26a, 26b is alternating. This results in a meandering current flow through the cells 26, 26a, 26b, as indicated by the arrows 29, 30, 31, 32. Starting from the electrode 18 of the anodic half cell 27 of the first cell 26, the current thus flows through the membrane 22 into the associated cathodic half cell 28 of the first cell 26. This cathodic half cell 28 is now connected to the adjacent anodic half cell 28a of the subsequent cell 26a via a monolithic electrode 18a connected in series, which extends through a passage 17 in the cell wall 12 between the two half-cells 28, 28a.
  • This electrode 18a which consists for example of porous graphite felt, is, as described above with reference to FIG. 1, plastic in the region of the bushing
  • the respective electrodes 18 and 18c are passed through the cell wall 12 to the outside, as previously explained by way of example with reference to FIG. 1.
  • the individual half-cells are traversed perpendicularly to the plane of electrochemically active medium, as shown for example in the first anodic half-cell 27 by dashed inflow openings 21 and dashed outflow openings 33 (see also the cross section through this half-cell 27 of FIG. 3).
  • the arrangement of the inflow openings 21 and the outflow openings 33 is preferably made such that the inflow openings 21 are located on one side of the mat-shaped electrode 18 and the outflow openings 33 on the opposite second side of the electrode 18. This leads to the electrode 18 is intensively flowed through by the electrically charged electrolyte, which improves the efficiency of the cell.
  • a preparation of the composite 20 can be done in a simple and cost-effective manner by first a first half 23 of the composite 20 by a suitable molding process, such as injection molding, is prepared and in a corresponding manner a second half 24 of the composite in the same Way is made.
  • the two halves 23, 24 are then joined together with the interposition of the continuous membrane 22.
  • the two half-composites 23, 24 can be glued or welded together or otherwise sealingly connected to each other, such as by riveting or screwing.
  • a circumferential adhesive bead 25 is shown by way of example, with which the two half-composites 23, 24 are glued circumferentially.
  • the electrodes are preferably first inserted as a continuous mat over the entire region of the cells in the associated mold cavity of an injection mold and at the points where no continuous connection, but an isolation of adjacent half-cells desired is separated by a subtractive process, such as punching, cutting, laser ablation, spark erosion.
  • the separation may alternatively be adapted to the respective application.
  • range of the electrode mat can also be achieved by a specific shape of the injection mold used and a corresponding local control of the injection pressure during the injection molding, wherein in the separate area plastic is injected with in order to obtain the desired insulation at the respective location.
  • a plate-like material is made of a highly electrically conductive material Material, such as copper or silver, applied on both sides of the ends of the electrode 18 in the region of the cell wall 12 and integrally bonded during manufacture by injection molding in the region of the cell wall 12.
  • a plate-like material is made of a highly electrically conductive material Material, such as copper or silver, applied on both sides of the ends of the electrode 18 in the region of the cell wall 12 and integrally bonded during manufacture by injection molding in the region of the cell wall 12.
  • each of the contact layers or connection tongues 34, 35 has a grid of recesses 36, which ensures an improved cohesive integration into the cell wall 12 during injection molding.
  • the electrode 18 is compressed and encapsulated in the region of the passage 17 through the cell wall 12 with the plastic together with the remaining cell wall 12. This results in an intensive adhesion and fluid-tight execution in the implementation of the electrode 18th
  • An alternative embodiment of the composite, which is generally designated 20a, will be briefly explained with reference to FIGS. 7 and 8. Corresponding reference numerals are used for corresponding parts.
  • the inflow openings 39 and the outflow openings 33 are modified. It can be seen from the section according to FIG. 7 that the inflow openings 39 open into a channel 38 extending perpendicularly to the electrode 18. Starting from this channel 38, the electrode 18 is flowed through. On the opposite side of the liquid passes through a drain channel 37 in drain holes. The individual half-cells are supplied in parallel with electrolyte fluid.
  • Redox flow batteries are based on the principle that two electrolytes flow through the half-cells of an electrochemical cell and thereby change their oxidation state on the surface of the electrodes.
  • the electrodes delivered or received during the half-cell reactions perform work (discharge operation) via an external circuit or are charged via the external circuit (charging operation).
  • the circuit is closed by an ion-conductive separating layer or membrane, which ensures the charge balance between the two half-cells.
  • FIG. 8 shows in simplified form a redox flux battery 40 with the composite 20.
  • Separate reservoirs 42, 44 are provided for the catholyte (positively charged electrolyte) and the anolyte (negatively charged electrolyte).
  • the cathodic half-cells 28, 28b are flowed through from the reservoir 42 by means of a pump 46 via associated inflow lines 48 and returned to the accumulator 42 via associated outflow lines 50.
  • the anolyte from the reservoir 44 by means of a pump 52 via supply lines 54 in the anodic Half-cells 28a supplied and discharged via discharge lines 56 again and fed back into the container 44. All cathodic half-cells and all anodic half-cells are preferably connected in parallel in terms of flow and are coupled via respective distributors to the reservoirs 42 and 44 for the catholyte and the anolyte, respectively.
  • the circuit is externally closed via electrode terminals 62, 64 at the first cell 26 and at the last cell 26b via an external circuit 58 to a load 60, if the redox flow battery is discharged or is via an external power source 60th closed if the redox flow cell is to be charged.
  • a charge controller which is switched on between the consumer 60 or the current source, is used for the control.

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Abstract

Es wird ein Verbund (20) von elektrochemischen Zellen (26, 26a, 26b), insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, angegeben, mit seriell verschalteten Zellen(26, 26a, 26b), die jeweils eine anodische Halbzelle (27, 28a, 27b) und eine angrenzende kathodische Halbzelle (28, 27a, 28b) aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran (22) miteinander verbundensind, und mit Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand (12) umschlossen sind und mit elektrochemischaktivem Medium gefüllt sind, und wobei ausgewählte benachbarte Halbzellen (28, 28a; 27a, 27b) durch monolithische Elektroden (18a, 18b) seriell miteinander verschaltet sind.

Description

Verbund von elektrochemischen Zellen
[0001] Die Erfindung betrifft einen Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, mit seriell verschalteten Zellen, die jeweils eine anodische Halbzelle und eine angrenzende kathodische Halbzelle aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran miteinander verbunden sind, und mit Elektroden, die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand umschlossen sind und mit elektrochemisch aktiven Medien gefüllt sind.
[0002] Eine Redox-Flussbatterie (auch "Redox-Flow-Zelle" genannt) speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, indem die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Wie etwa aus der WO 2010/094657 A1 , der EP 2 648 257 A1 oder der WO 201 1/075135 A1 bekannt, zirkulieren dabei die zwei energiespeichernden Elektrolyte in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen der lonenaus- tausch in der Zelle über eine ionenleitende Membran erfolgt. Die energiespeichernden Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks gelagert. Redox- Flussbatterien basieren auf dem Prinzip, dass zwei Elektrolyte durch die Halbzellen einer elektrochemischen Zelle strömen und dabei auf der Oberfläche der Elektroden ihre Oxidationsstufe ändern. Die bei den Halbzellreaktionen abgegebenen bzw. aufgenommenen Elektronen verrichten über den externen Stromkreis Arbeit. Im Stand der Technik wird meist poröser Kohlenstoff bzw. Graphit als Elektrodenmaterial verwendet, welches von dem Elektrolyten durchströmt wird. Die Halbzellen werden in der Regel koplanar gestapelt (vgl. EP 2 648 257 A1 ), wobei der Elektrolytfluss von einer Stirnseite des Elektrodenmaterials zur anderen führt. Das Durchströmen des Elektrodenmaterials in der Zellebene bewirkt hierbei einen hohen Druckabfall und eine hohe Differenz der Konzentration der reaktiven Spezies zwischen Einlauf- und Auslaufseite.
[0003] Die Halbzellen werden von einer dünnen, ionenleitenden Kunststoffmembran getrennt. Die koplanar gestapelten Zellen werden meist über Bipolarplatten aus einem Kohlenstoff-Kunststoff-Komposit miteinander elektrisch leitend verbunden, die gleichzeitig einen Austausch der Elektrolyte zwischen zwei Zellen verhindern. Um den Kontaktwiderstand zwischen den Bipolarplatten und den porösen Elektrodenmaterialien (typischerweise Graphitfilz) zu minimieren, werden die Komponenten senkrecht zu den Zellebenen verpresst. Dies führt zu einer unerwünschten Kompression des porösen Elektrodenmaterials, was den hydrodynamischen Flusswiderstand in der Zelle erhöht und auf die Dauer das poröse Elektrodenmaterial zerbröselt. Ferner werden die Funktionsmaterialien koplanar gestapelt. Um das System fluiddicht aufzubauen, sind an den Grenzflächen zwischen den Funktionsmaterialien Dichtungen nötig.
[0004] Gemäß der WO 201 1/075135 A1 werden die Zellen über spezielle Bipolarplatten miteinander verschaltet. Dadurch soll der Flusswiderstand reduziert werden. Jedoch ist die Anordnung sehr kompliziert. Auch ist die Verwendung von Bipolarplatten als nachteilig anzusehen. Die Material- und Montagekosten sind hoch. Außerdem sind Dichtungen erforderlich, die undicht werden können. Außerdem ergeben sich Übergangswiderstände zu den Elektroden. [0005] Die bekannten Verbünde von elektrochemischen Zellen, die insbesondere bei Redox-Flussbatterien verwendet werden, weisen somit erhebliche Nachteile auf, insbesondere einen komplizierten Aufbau, einen hohen Innenwiderstand und eine geringe Effizienz des elektrochemischen Zellverbunds.
[0006] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Verbund von elektrochemischen Zellen zu schaffen, bei dem die Zellen seriell miteinander verschaltet sind und womit sich ein vereinfachter Aufbau und insbesondere ein verringerter Innenwiderstand ergibt.
[0007] Diese Aufgabe wird durch einen Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Flussbatterie, gelöst, mit seriell verschalteten Zellen, die jeweils eine anodische Halbzelle und eine angrenzende kathodische Halbzelle aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran miteinander verbunden sind, und mit Elektroden, die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand umschlossen sind und mit elektrochemisch aktiven Medien gefüllt sind, und wobei ausgewählte benachbarte Halbzellen durch monolithische Elektroden seriell miteinander verschaltet sind.
[0008] Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
[0009] Durch die serielle Verschaltung von ausgewählten benachbarten Halbzellen mittels monolithischer Elektroden kann auf die Verwendung von Bipolarplatten zur Verbindung der Zellen verzichtet werden. Auf diese Weise ergibt sich eine deutliche Vereinfachung des Aufbaus und gleichzeitig eine Reduzierung des Innenwiderstands des Zellverbundes.
[0010] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Membran in einer Ebene, wobei auf einer ersten Membranseite abwechselnd anodische und kathodische Halbzellen aneinander angrenzend entlang der Membran angeordnet sind, wobei auf einer zweiten Membranseite komplementär kathodische und anodische Halbzellen aneinander angrenzend entlang der Membran angeordnet sind, so dass entlang der Membran eine Folge von aneinander angrenzenden Zellen alternierender Orientierung gebildet ist, wobei abwechselnd jeweils angrenzende Halbzellen auf einer Membranseite gegeneinander isoliert sind und die zugeordneten Halbzellen auf der anderen Membranseite über eine monolithische Elektrode miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sich ein mäanderartiger Strompfad durch die Zellen ergibt.
[0011] Der mäanderartiger Strompfad verläuft vorzugsweise abwechselnd jeweils von einer Halbzelle auf der einen Membranseite durch die Membran in die zugeordnete Halbzelle auf der anderen Membranseite, von dort über eine monolithische Elektrode in die angrenzende Halbzelle auf derselben Membranseite, von dort durch die Membran zurück zur gegenüberliegenden Membranseite in die zugeordnete Halbzelle, von wo aus sich der Strompfad in Abhängigkeit von der Anzahl der entlang der Membran angeordneten Halbzellen entweder in entsprechender Weise fortsetzt oder über eine Elektrode durch eine Zellwand nach außen geführt ist.
[0012] Auf diese Weise wird ein kompakt und einfach aufgebauter Verbund von elektrochemischen Zellen bereitgestellt, die seriell miteinander verschaltet sind. Da benachbarte Zellen jeweils über eine monolithische Elektrode miteinander verschaltet sind, die in eine angrenzende Halbzelle eingreift, und im Übrigen der Strompfad jeweils von einer Halbzelle auf einer Seite der Membran durch die Membran zur anderen Seite der Membran in die zugeordnete Halbzelle verläuft, von der aus wiederum der Strompfad über die monolithische Elektrode in die benachbarte Halbzelle fortschreitet, ergibt sich ein äußerst kompakter Aufbau und ein geringer Innenwiderstand des Zellverbundes.
[0013] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Halbzellen jeweils Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen zur Durchströmung mit elektrochemisch aktivem Medium auf.
[0014] Auf diese Weise kann ein aktiver Austausch des aktiven Mediums gewährleistet werden, wie etwa bei einer Redox-Flusszelle erforderlich. [0015] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Querschnitte der Halbzellen entlang der Strömungsrichtung des elektrochemisch aktiven Mediums variiert, um einem Druckabfall entlang des jeweiligen Strömungsweges entgegenzuwirken.
[0016] Da sich der Druck entlang des Strömungsweges reduziert, kann durch eine Vergrößerung des Querschnittes in Strömungsrichtung einer Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit entgegengewirkt werden.
[0017] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zuflussöffnungen und die Abflussöffnungen an den Enden einer jeweiligen Halbzelle in Bezug auf eine sich darin erstreckende Elektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode angeordnet.
[0018] Auf diese Weise wird eine intensive Wechselwirkung des durch die Halbzelle strömenden elektrochemisch aktiven Mediums mit der Elektrode gewährleistet.
[0019] Bei einer alternativen Ausführung der Erfindung sind die Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen auf derselben Seite der Membran an gegenüberliegenden Stirnseiten der jeweiligen Halbzelle angeordnet.
[0020] Es hat sich gezeigt, dass auch auf diese Weise eine besonders intensive Durchströmung der Elektrode mit dem elektrochemisch aktiven Medium erreicht werden kann.
[0021] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die monolithischen Elektroden als poröse Elektroden ausgebildet, die im Bereich der Durchführung durch die Zellwand jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leitfähigen Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand verbunden ist. [0022] Hierbei ist die Zellwand vorzugsweise als Kunststoffteil ausgebildet, das im Bereich der Durchführung jeweils stoffschlüssig und vorzugsweise formschlüssig mit der Elektrode verbunden ist.
[0023] Weiter bevorzugt sind ferner die Zellwand und die jeweilige Elektrode im Bereich der Durchführung als integrales Teil, vorzugsweise als integrales Spritzgussteil, ausgebildet.
[0024] Durch eine derartige Ausgestaltung der Elektroden im Bereich der Durchführung ist einerseits eine besonders einfache und zuverlässige fluiddichte Durchführung der Elektrode durch die Zellwand gewährleistet und andererseits eine besonders einfache Herstellung.
[0025] Die Elektroden können vorteilhaft aus einem offenporigen Schaum, einem Filz, einem Vlies oder einem Gewebe bestehen.
[0026] Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung bestehen die Elektroden aus einer Kohlenstoffmodifikation, insbesondere Graphit oder Kohlenstofffasern, einem Metall oder einer leitfähigen Keramik.
[0027] Insbesondere Elektroden aus Graphit haben sich in Verbindung mit derartigen Zellverbunden als besonders wirksam erwiesen.
[0028] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden mit einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, oder mit einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere einem UV-aushärtbaren Kunststoff oder einem Zweikomponentenkleber, zumindest im Bereich der Durchführung verdichtet. Voraussetzung für den verwendeten Kunststoff ist die Beständigkeit im Elektrolyten, ohne dass schädliche Stoffe, wie etwa Weichmacher, ausgewaschen werden.
[0029] Auf diese Weise ergibt sich eine besonders einfache Herstellung. [0030] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden im Wesentlichen parallel zu der Membran angeordnet.
[0031] In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden mattenförmig ausgebildet.
[0032] Auf diese Weise ergibt sich eine vorteilhafte Anordnung für die Elektroden und eine gute elektrochemische Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem durch die betreffenden Halbzellen strömenden elektrochemisch aktiven Medium.
[0033] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zellwände und die Elektroden im Bereich der Durchführungen durch die Zellwände in einem gemeinsamen Formgebungsschritt verbunden, vorzugsweise durch Spritzgießen.
[0034] Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Herstellung gewährleistet.
[0035] Gemäß einer weitere Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden der ersten und der letzten in Serie miteinander verschalteten Zellen als poröse Elektroden ausgebildet, die im Bereich der jeweiligen Durchführung durch die Zellwand jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leichtfähigen, Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand verbunden ist.
[0036] Auf diese Weise ist auch die Kontaktierung der Elektroden außerhalb der Zellen auf einfache und zuverlässige Weise realisierbar.
[0037] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden außerhalb der Zellwände mit einer Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Kupfer oder Silber, versehen, vorzugsweise mit einer galvanisch applizierten Beschichtung oder mit einer aufgespritzten Beschichtung versehen. [0038] Auf diese Weise ergibt sich eine einfache und wirksame Kontaktierung der Elektroden außerhalb der Zellen.
[0039] Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung sind die Elektroden mit Kontaktschichten versehen, die vorzugsweise über Ausnehmungen in den Kontaktschichten stoffschlüssig mit den porösen Elektroden verbunden und damit verpresst sind und durch die Zellwände nach außen geführt sind.
[0040] Auch auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache und wirksame Kontaktierung der Elektroden außerhalb der Zellen gewährleisten.
[0041] Eine Redox-Flussbatterie lässt sich in einfacher Weise unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundes aufbauen. Hierbei sind ein Speicher für einen Katolyten und ein Speicher für einen Anolyten vorgesehen, die jeweils über eine Pumpe und zugeordnete Leitungen mit den katodischen Halbzellen und den anodischen Halbzellen in Verbindung stehen, um diese zu durchströmen. Extern wird der Stromkreis über einen Verbraucher bzw. eine Spannungsquelle geschlossen, wobei die Verbindung über zugeordnete Elektrodenanschlüsse an der ersten und letzten Zelle des Verbundes erfolgt. Alle kathodischen Halbzellen und alle anodischen Halbzellen sind hierbei vorzugsweise strömungsmäßig parallel geschaltet und sind über entsprechende Verteiler mit den Speichern für den Katolyt bzw. den Anolyt gekoppelt.
[0042] Ein erfindungsgemäßer Verbund aus elektrochemischen Zellen lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem zunächst ein erster Halbverbund und ein zweiter Halbverbund jeweils mit einer Folge von Halbzellen durch ein Formgebungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, aus Kunststoff hergestellt werden und dann unter Zwischenlage einer Membran miteinander verbunden werden, vorzugsweise stoffschlüssig, etwa durch Verspritzen oder Verkleben, oder formschlüssig, etwa durch Vernieten oder Verschrauben.
[0043] Auf diese Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Zellverbundes gewährleistet. [0044] In bevorzugter Weiterbildung dieses Verfahrens werden die Elektroden aus einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt, das in die zugehörige Form eingelegt wird, und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch einen subtraktiven Bearbeitungsschritt, wie etwa Stanzen, Schneiden, Laserablation, Funkenerosion, entfernt wird.
[0045] Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Einbindung der Elektroden an den Stellen, an denen monolithische Elektroden benachbarte Halbzellen miteinander verbinden sollen, und eine Trennung der Elektroden an den Stellen ermöglicht, an denen benachbarte Halbzellen elektrisch gegeneinander isoliert sein sollen.
[0046] In alternativer Weise werden die Elektroden aus einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt, das in die zugehörige Form eingelegt wird und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch eine bestimmte Formgebung der verwendeten Spritzgießform und eine entsprechende lokale Steuerung des Spritzdruckes lokal getrennt wird und durch eingespritzten Kunststoff isoliert wird.
[0047] Auf diese Weise lässt sich gezielt eine Unterbrechung der Elektroden in den gewünschten Bereichen gewährleisten und gleichzeitig eine Isolierung an diesen Stellen.
[0048] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
[0049] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Zelle mit einer porösen Elektrode, die im Bereich einer Durchführung durch die Zellwand mittels Kunststoff verdichtet und abgedichtet ist;
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung durch einen erfindungsgemäßen Verbund von elektrochemischen Zellen, die seriell miteinander verschaltet sind;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine der Halbzellen gemäß Fig. 2, woraus die
Anordnung an Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen zum Durchströmen der Halbzelle mit elektrochemisch aktivem Medium ersichtlich ist;
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine der Halbzellen gemäß Fig. 2 in vergrößerter Darstellung;
Fig. 5 eine Aufsicht auf die Elektrode gemäß Fig. 3, bevor der obere Teil der
Zellwand aufgespritzt wird;
Fig. 6 eine alternative Ausführung des Verbundes gemäß Fig. 2;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine der Halbzellen gemäß Fig. 6, woraus die
Anordnung an Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen zum Durchströmen der Halbzelle mit elektrochemisch aktivem Medium ersichtlich ist und
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Redox-Flusszelle unter Verwendung eines Verbundes von Zellen gemäß Fig. 2.
[0050] Fig. 1 zeigt eine elektrochemische Zelle, die insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet ist. Die Zelle 10 weist eine Zellwand 12 aus einem thermoplastischen Kunststoff, etwa Polypropylen, auf, die einen Hohlraum 14 umschließt. Der Hohlraum 14 ist mit einem elektrochemisch aktiven Medium 16 gefüllt. Innerhalb des Hohlraums 14 befindet sich eine Elektrode 18, die mit dem Medium innerhalb des Hohlraums 14 in Wechselwirkung steht. Die Elektrode 18 ist hierbei durch die Zellwand 12 nach außen im Bereich einer Durchführung 17 hindurchgeführt und hierbei fluiddicht mit der Zellwand 12 versiegelt. Die Elektrode 18 besteht beispielsweise aus einem Graphitfilz, der eine hohe aktive Oberfläche aufweist, um eine gute Wechselwirkung mit dem Medium 16 innerhalb des Hohlraums 14 zu ermöglichen.
[0051] Außerhalb der Zellwand 12 ist die Elektrode 18 zwecks einer guten Kon- taktierung mit einer Beschichtung 19 aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, wie etwa Kupfer oder Silber, versehen.
[0052] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Verbund von elektrochemischen Zellen, die seriell miteinander verschaltet sind, schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 20 bezeichnet.
[0053] Der Verbund 20 weist eine Folge von nebeneinander angeordneten Zellen 26, 26a, 26b auf, die jeweils aus zwei Halbzellen bestehen, die beidseits einer Membran 22 angeordnet sind. Die Membran 22 erstreckt sich in einer Ebene. Die Zellen 26, 26a, 26b sind nun nebeneinander entlang der Membran 22 derart angeordnet, dass auf der ersten Seite der Membran 22 (obere Seite) eine kathodische Halbzelle 27, gefolgt von einer anodischen Halbzelle 27a der Nachbarzelle 26a, wiederum gefolgt von einer anodischen Halbzelle 27b der Nachbarzelle 26b, angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden zweiten Seite (untere Seite) der Membran 22 sind nacheinander die jeweils zugeordneten Halbzellen in Form einer kathodischen Halbzelle 28 der ersten Zelle 26, gefolgt von einer anodischen Halbzelle 28a der zweiten Zelle 26a, wiederum gefolgt von einer kathodischen Halbzelle 28b der benachbarten Zelle 26b angeordnet.
[0054] Es versteht sich, dass sich weitere Zellen anschließen können, wie in Fig. 2 angedeutet ist. [0055] In den jeweiligen Halbzellen erstrecken sich Elektroden 18, 18a, 18b, 18c parallel zur Membran 22, wobei diese mattenförmig als poröse Elektroden, etwa aus Graphitfilz, ausgestaltet sind.
[0056] Die Anordnung der Zellen 26, 26a, 26b des Verbundes 20 ist nun so getroffen, dass die Polarität der Zellen 26, 26a, 26b alternierend ist. Dabei ergibt sich ein mäanderförmiger Stromfluss durch die Zellen 26, 26a, 26b, wie durch die Pfeile 29, 30, 31 , 32 angedeutet ist. Ausgehend von der Elektrode 18 der anodischen Halbzelle 27 der ersten Zelle 26 fließt der Strom also durch die Membran 22 in die zugeordnete kathodische Halbzelle 28 der ersten Zelle 26. Diese kathodische Halbzelle 28 ist nunmehr mit der benachbarten anodischen Halbzelle 28a der nachfolgenden Zelle 26a über eine monolithische Elektrode 18a seriell verschaltet, wobei sich diese durch eine Durchführung 17 in der Zellwand 12 zwischen den beiden Halbzellen 28, 28a erstreckt.
[0057] Diese etwa aus porösem Graphitfilz bestehende Elektrode 18a ist, wie vorstehend anhand von Fig. 1 beschrieben, mit Kunststoff im Bereich der Durchführung
17 vergossen, so dass sich eine einstückige Ausbildung mit der Zellwand 12 zwischen den beiden Halbzellen 28, 28a ergibt. Dagegen sind die angrenzenden Halbzellen 27, 27a auf der gegenüberliegenden ersten Membranseite durch die Zellwand 12 elektrisch gegeneinander isoliert. Es ergibt sich somit ein Stromfluss ausgehend von der Elektrode
18 der kathodischen Halbzelle 27 der ersten Zelle 26 durch die Membran 22 in die kathodische Halbzelle 28 der ersten Zelle 26, dann über die Elektrode 18a in die benachbarte anodische Halbzelle 28a der nachfolgenden Zelle 26a, von dieser wiederum durch die Membran 22 in die kathodische Halbzelle 27a der zweiten Zelle 26a, dann wiederum über eine monolithische Elektrode 18b in die benachbarte anodische Halbzelle 27b der nächsten Zelle 26b, von dieser durch die Membran 22 in die zugeordnete kathodische Halbzelle 28b der letzten Zelle 26b.
[0058] An der ersten Zelle 26 und an der letzten Zelle 26b sind die jeweiligen Elektroden 18 bzw. 18c durch die Zellwand 12 nach außen hindurchgeführt, wie zuvor beispielhaft anhand von Fig. 1 erläutert wurde. [0059] Die einzelnen Halbzellen werden senkrecht zur Zeichenebene von elektrochemisch aktivem Medium durchströmt, wie beispielhaft bei der ersten anodischen Halbzelle 27 durch gestrichelte Zuflussöffnungen 21 und gestrichelte Abflussöffnungen 33 dargestellt ist (vergleiche auch den Querschnitt durch diese Halbzelle 27 gemäß Fig. 3).
[0060] Dabei ist die Anordnung der Zuflussöffnungen 21 und der Abflussöffnungen 33 vorzugsweise so getroffen, dass sich die Zuflussöffnungen 21 auf einer Seite der mattenformig ausgebildeten Elektrode 18 befinden und die Abflussöffnungen 33 auf der gegenüberliegenden zweiten Seite der Elektrode 18. Dies führt dazu, dass die Elektrode 18 intensiv von dem elektrisch geladenen Elektrolyten durchströmt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad der Zelle verbessert.
[0061] Eine Herstellung des Verbundes 20 kann auf einfache und kostengünstige Weise dadurch erfolgen, dass zunächst eine erste Hälfte 23 des Verbundes 20 durch ein geeignetes Formgebungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, hergestellt wird und in entsprechender Weise eine zweite Hälfte 24 des Verbundes in der gleichen Weise hergestellt wird. Die beiden Hälften 23, 24 werden anschließend unter Zwischenlage der durchgehenden Membran 22 aneinandergefügt. Die beiden Halbverbunde 23, 24 können miteinander verklebt oder verschweißt oder in sonstiger Weise dichtend miteinander verbunden werden, etwa durch Vernieten oder Verschrauben. In Fig. 2 ist ein umlaufender Klebewulst 25 beispielhaft gezeigt, mit dem die beiden Halbverbunde 23, 24 umlaufend verklebt sind.
[0062] Bei der Herstellung der beiden Halbverbunde 23, 24 werden die Elektroden vorzugsweise zunächst als durchgehende Matte über den gesamten Bereich der Zellen in den zugeordneten Formhohlraum einer Spritzgießform eingelegt und an den Stellen, an denen keine durchgehende Verbindung, sondern eine Isolation benachbarter Halbzellen gewünscht ist, durch ein subtraktives Verfahren getrennt, also etwa durch Stanzen, Schneiden, Laserablation, Funkenerosion.
[0063] Da es sich bei der Elektrodenmatte um ein faserartiges Material, wie etwa Graphitvlies, handelt, kann in alternativer Weise die Trennung an den jeweiligen Be- reichen der Elektrodenmatte auch durch eine bestimmte Formgebung der verwendeten Spritzgießform und eine entsprechende lokale Steuerung des Spritzdruckes während des Spritzgießverfahrens erreicht werden, wobei in dem getrennten Bereich Kunststoff mit eingespritzt wird, um die gewünschte Isolierung an der jeweiligen Stelle zu erhalten.
[0064] Eine derartige Ausgestaltung führt zu einer weiteren Vereinfachung bei der Herstellung.
[0065] Zusätzlich zu dem so erzeugten Stoffschluss kann ggf. ein Formschluss etwa durch geeignete Hinterschneidungen erzeugt werden, um bei erhöhter Strömungsbelastung einer Desintegration entgegen zu wirken.
[0066] Anhand der Fig. 4 und 5 wird nachfolgend kurz erläutert, wie eine Kon- taktierung der Elektrode 18 im Bereich außerhalb der Zellwand 12 erfolgen kann.
[0067] Während gemäß Fig. 1 eine Kontaktierung durch eine galvanische Be- schichtung oder eine durch ein Spritzverfahren (zum Beispiel thermisches Spritzen) aufgetragene Beschichtung erläutert wurde, wird bei der Ausführung gemäß Fig. 4 und 5 ein plattenartiges Material aus einem gut elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie zum Beispiel Kupfer oder Silber, beidseitig auf die Enden der Elektrode 18 im Bereich der Zellwand 12 aufgebracht und bei der Herstellung durch Spritzgießen im Bereich der Zellwand 12 stoffschlüssig mit eingebunden. Hierzu weist jede der Kontaktschichten oder Anschlusszungen 34, 35 ein Raster von Ausnehmungen 36 auf, was eine verbesserte stoffschlüssige Einbindung in die Zellwand 12 beim Spritzguss gewährleistet.
[0068] Wie vorstehend bereits erläutert, wird die Elektrode 18 im Bereich der Durchführung 17 durch die Zellwand 12 mit dem Kunststoff zusammen mit der übrigen Zellwand 12 verdichtet und umspritzt. Es ergibt sich so eine intensive Haftung und fluid- dichte Ausführung bei der Durchführung der Elektrode 18. [0069] Anhand von Fig. 7 und 8 wird eine alternative Ausführung des Verbundes, der insgesamt mit 20a bezeichnet ist, kurz erläutert. Es werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.
[0070] Der einzige Unterschied zum Verbund gemäO Fig. 2 und 3 besteht darin, dass die Anordnung der Zuflussöffnungen 39 und der Abflussöffnungen 33 abgewandelt ist. Aus dem Schnitt gemäß Fig. 7 ist ersichtlich, dass die Zuflussöffnungen 39 in eine senkrecht zur Elektrode 18 verlaufenden Kanal 38 münden. Ausgehend von diesem Kanal 38 wird die Elektrode 18 durchströmt. Auf der gegenüberliegenden Seite gelangt die Flüssigkeit über einen Abflusskanal 37 in Abflussöffnungen. Die einzelnen Halbzellen werden parallel mit Elektrolytflüssigkeit versorgt.
[0071] In Fig. 8 ist beispielhaft die Verwendung des Verbundes 20 in einer Re- dox-Flussbatterie 40 dargestellt.
[0072] Redox-Flussbatterien basieren auf dem Prinzip, dass zwei Elektrolyte durch die Halbzellen einer elektrochemischen Zelle strömen und dabei auf der Oberfläche der Elektroden ihre Oxidationsstufe ändern. Die bei den Halbzellreaktionen abgegebenen bzw. aufgenommenen Elektroden verrichten über einen externen Stromkreis Arbeit (Entladebetrieb) oder werden über den externen Stromkreis geladen (Ladebetrieb).
Geschlossen wird der Stromkreis durch eine ionenleitfähige Trennschicht oder Membran, welche für den Ladungsausgleich zwischen den beiden Halbzellen sorgt.
[0073] In Fig. 8 ist eine Redox-Flussbatterie 40 mit dem Verbund 20 vereinfacht dargestellt.
[0074] Für den Katolyt (positiv geladener Elektrolyt) und den Anolyt (negativ geladener Elektrolyt) sind getrennte Speicher 42, 44 vorgesehen. Die kathodischen Halbzellen 28, 28b werden vom Katolyt ausgehend aus dem Speicher 42 mittels einer Pumpe 46 über zugeordnete Zuflussleitungen 48 durchströmt und über zugeordnete Abflussleitungen 50 wieder in den Speicher 42 zurückgeführt. In entsprechender Weise wird der Anolyt aus dem Speicher 44 mittels einer Pumpe 52 über Zuflussleitungen 54 in die anodischen Halbzellen 28a zugeführt und über Abflussleitungen 56 wieder abgeführt und zurück in den Behälter 44 geleitet. Alle kathodischen Halbzellen und alle anodischen Halbzellen sind vorzugsweise strömungsmäßig parallel geschaltet und sind über entsprechende Verteiler mit den Speichern 42 bzw. 44 für den Katolyt bzw. den Anolyt gekoppelt.
[0075] Aus Vereinfachungsgründen sind in Fig. 8 lediglich die Halbzellen auf einer Seite der Membran dargestellt. Die gegenüberliegenden Halbzellen auf der anderen Membranseite sind in entsprechender Weise von dem Katolyten bzw. dem Anolyten durchströmt.
[0076] Der Stromkreis wird extern über Elektrodenanschlüsse 62, 64 an der ersten Zelle 26 bzw. an der letzten Zelle 26b über einen externen Stromkreis 58 mit einem Verbraucher 60 geschlossen, sofern die Redox-Flussbatterie entladen wird bzw. wird über eine externe Stromquelle 60 geschlossen, sofern die Redox-Flusszelle geladen werden soll. In der Praxis wird zur Steuerung etwa ein Laderegler verwendet, der zwischen dem Verbraucher 60 bzw. der Stromquelle eingeschaltet ist.
[0077] Es versteht sich, dass in der Regel weitere Zellen seriell mit dem Verbund 20 verschaltet sind, so dass weitere Halbzellen vom Katolyten bzw. Anolyten durchströmt werden.

Claims

Patentansprüche
Verbund von elektrochemischen Zellen, insbesondere für eine Redox-Fluss- batterie, mit seriell verschalteten Zellen, die jeweils eine anodische Halbzelle (27, 27b) und eine angrenzende kathodische Halbzelle (28, 28b) aufweisen, die durch eine ionenleitende Membran (22) miteinander verbunden sind, und mit Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die sich in den Halbzellen erstrecken, wobei die Halbzellen jeweils von einer elektrisch isolierenden Zellwand umschlossen sind und mit elektrochemisch aktiven Medien gefüllt sind, und wobei ausgewählte benachbarte Halbzellen (28, 28a; 27a, 27b) durch monolithische Elektroden (18a, 18b) seriell miteinander verschaltet sind.
Verbund nach Anspruch 1 , bei dem sich die Membran (22) in einer Ebene erstreckt, wobei auf einer ersten Membranseite abwechselnd anodische und kathodische Halbzellen (27, 27a, 27b) aneinander angrenzend entlang der Membran (22) angeordnet sind, wobei auf einer zweiten Membranseite komplementär kathodische und anodische Halbzellen (28, 28a, 28b) aneinander angrenzend entlang der Membran (22) angeordnet sind, so dass entlang der Membran (22) eine Folge von aneinander angrenzenden Zellen (26, 26a, 26b) alternierender Orientierung gebildet ist, wobei abwechselnd jeweils angrenzende Halbzellen (27, 28a) auf einer Membranseite gegeneinander isoliert sind und die zugeordneten Halbzellen (28, 28a) auf der anderen Membranseite über eine monolithische Elektrode (18a) miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sich ein mäanderartiger Strompfad durch die Zellen ergibt.
Verbund nach Anspruch 2, bei dem die Halbzellen (27, 27a, 27b, 28, 28a, 28b) jeweils Zuflussöffnungen (21 ) und Abflussöffnungen (33) zur Durchströmung mit elektrochemisch aktivem Medium aufweisen.
Verbund nach Anspruch 3, bei dem die Zuflussöffnungen (21 ) und die Abflussöffnungen (33) an den Enden einer jeweiligen Halbzelle (27) in Bezug auf eine sich darin erstreckende Elektrode (18) auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode (18) angeordnet sind.
5. Verbund nach Anspruch 3, bei dem die Zuflussöffnungen (39) und Abflussöffnungen (33) auf derselben Seite der Membran (22) an gegenüberliegenden Stirnseiten der jeweiligen Halbzelle (27) liegen.
6. Verbund nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Querschnitte der Halbzellen (27, 27a, 27b, 28, 28a, 28b) entlang der Strömungsrichtung des elektrochemisch aktiven Mediums variiert sind, um einem Druckabfall entlang des jeweiligen Strömungsweges entgegenzuwirken.
7. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die monolithischen Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) als poröse Elektroden ausgebildet sind, die im Bereich der Durchführung (17) durch die Zellwand (12) jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddichten, elektrisch leitfähigen Festkörper verdichtet sind, der fluid- dicht mit der Zellwand (12) verbunden ist.
8. Verbund nach Anspruch 7, bei der die Zellwand (12) als Kunststoffteil ausgebildet ist, das im Bereich der Durchführung (17) jeweils stoffschlüssig und vorzugsweise formschlüssig mit der Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) verbunden ist.
9. Verbund nach Anspruch 8, bei der die Zellwand (12) und die jeweilige Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) im Bereich der Durchführung (17) als integrales Teil, vorzugsweise als integrales Spritzgussteil oder Extrusionsteil, ausgebildet sind.
10. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus einem offenporigen Schaum, Filz, Vlies oder Gewebe bestehen.
1 1 . Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus einer Kohlenstoffmodifikation, insbesondere Graphit oder Kohlenstofffasern, einem Metall oder einer leitfähigen Keramik bestehen.
12. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) mit einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, oder mit einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere einem UV-aushärtbaren Kunststoff oder einem Zweikomponentenkleber zumindest im Bereich der Durchführung (17) verdichtet sind.
13. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) im Wesentlichen parallel zu der Membran (22) angeordnet sind.
14. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) mattenförmig ausgebildet sind.
15. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zellwände (12) und die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) im Bereich der Durchführungen (17) durch die Zellwände (12) in einem gemeinsamen Formgebungsschritt verbunden sind, vorzugsweise durch Spritzgießen oder Extrudieren.
16. Verbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (18, 18c) der ersten und der letzten in Serie miteinander verschalteten Zellen (26, 26b) als poröse Elektroden ausgebildet sind, die im Bereich der jeweiligen Durchführung (17) durch die Zellwand (12) jeweils mit einem Kunststoff zu einem fluiddich- ten, elektrisch leitfähigen, Festkörper verdichtet sind, der fluiddicht mit der Zellwand (12) verbunden ist.
17. Verbund nach Anspruch 16, bei dem die Elektroden (18, 18c) außerhalb der
Zellwände (12) mit einer Beschichtung (19) aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Kupfer oder Silber, versehen sind, vorzugsweise mit einer galvanisch applizierten Beschichtung (19) oder mit einer aufgespritzten Beschichtung (19) versehen sind.
18. Verbund nach Anspruch 16, bei dem die Elektroden (18, 18c) mit Kontaktschichten (34, 35) versehen sind, die vorzugsweise über Ausnehmungen (36) in den Kon- taktschichten (34, 35) stoffschlüssig mit den porösen Elektroden (18, 18c) verbunden und damit verpresst sind und durch die Zellwände (12) nach außen geführt sind.
19. Redox-Flussbatterie mit einem Verbund (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Speicher (42) für einen Katolyten, mit einem Speicher (44) für einen Anolyten, die jeweils über eine Pumpe (46, 52) und zugeordnete Leitungen (48, 50; 54, 56) mit den katodischen Halbzellen und den anodischen Halbzellen in Verbindung stehen, um diese zu durchströmen, und mit einem externen Stromkreis (58), der an den Verbund (20) über Elektrodenanschlüsse (62, 64) angeschlossen ist und einen Verbraucher (60) oder eine Spannungsquelle beinhaltet.
20. Verfahren zur Herstellung eine Verbundes aus elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem zunächst ein erster Halbverbund (23) und ein zweiter Halbverbund (24) jeweils mit einer Folge von Halbzellen durch ein Formgebungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, aus Kunststoff hergestellt werden, und dann unter Zwischenlage einer Membran (22) miteinander verbunden werden, vorzugsweise stoffschlüssig, etwa durch Verspritzen oder Verkleben, oder formschlüssig, etwa durch Vernieten oder Verschrauben.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus
einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt werden, das in die zugehörige Form eingelegt wird und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch einen subtraktiven Bearbeitungsschritt, wie etwa Stanzen, Schneiden, Laserablation, Funkenerosion, entfernt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) aus
einem durchgehenden Elektrodenmaterial hergestellt werden, das in die zugehörige Form eingelegt wird und in den Bereichen, in denen eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbzellen gewünscht ist, durch eine bestimmte Formgebung der verwendeten Spritzgießform und eine entsprechende lokale Steuerung des Spritzdruckes lokal getrennt wird und durch eingespritzten Kunststoff isoliert wird.
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