WO2022063610A1 - Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack - Google Patents

Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack Download PDF

Info

Publication number
WO2022063610A1
WO2022063610A1 PCT/EP2021/074972 EP2021074972W WO2022063610A1 WO 2022063610 A1 WO2022063610 A1 WO 2022063610A1 EP 2021074972 W EP2021074972 W EP 2021074972W WO 2022063610 A1 WO2022063610 A1 WO 2022063610A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
electrode
electrolyte
interior
porous section
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/074972
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan GIRSCHIK
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to JP2023518374A priority Critical patent/JP2023542948A/ja
Priority to CA3196052A priority patent/CA3196052A1/en
Priority to IL301508A priority patent/IL301508A/en
Priority to AU2021348962A priority patent/AU2021348962A1/en
Priority to US18/027,779 priority patent/US20240030475A1/en
Priority to KR1020237012886A priority patent/KR20230073256A/ko
Priority to EP21777275.5A priority patent/EP4218077A1/de
Publication of WO2022063610A1 publication Critical patent/WO2022063610A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8626—Porous electrodes characterised by the form
    • H01M4/8631—Bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2459—Comprising electrode layers with interposed electrolyte compartment with possible electrolyte supply or circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8694—Bipolar electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Electrochemical cell in particular a redox flow battery, and corresponding cell stack
  • the invention relates to an electrochemical cell, in particular a redox flow battery, with at least one cell frame and at least one electrode, the cell frame enclosing a cell interior on the circumference, the cell frame having at least one supply channel for supplying electrolyte into the cell interior and at least one discharge channel for Leading off electrolyte from the cell interior, wherein the at least one cell frame has at least one finger element projecting into the cell interior and the electrode is arranged at least in regions in the cell interior and on opposite sides of the at least one finger element. Furthermore, the invention relates to a cell stack, in particular a redox flow battery, comprising a plurality of corresponding electrochemical cells.
  • Electrochemical cells are known in different configurations and are sometimes also referred to as electrochemical reactors, since electrochemical reactions take place in the electrochemical cells.
  • the electrochemical cells can, for example, be in the form of galvanic cells in the form of electrochemical current sources which supply usable electrical energy through chemical reactions at the various electrodes.
  • the electrochemical cells can also be electrolytic cells, which are used to produce specific products by applying an external voltage.
  • Accumulator cells serve alternately as a power source like galvanic cells and also as a power storage device, as in an electrolytic cell.
  • the present invention can be used with all types of electrochemical cells.
  • the invention is very particularly preferred in connection with accumulator cells and here preferably in connection with redox flow batteries, which themselves have been known for a long time and in various designs. Such designs are described by way of example in EP 0 051 766 A1 and US 2004/0170893 A1.
  • An important advantage of the redox flow batteries lies in the flexible scalability of performance and capacity and thus in their suitability for being able to store very large amounts of energy even with a lower selected performance and vice versa.
  • the energy is stored in electrolytes that can be kept in external tanks.
  • the electrolytes usually have metallic ions of different oxidation states. In order to extract electrical energy from the electrolytes or to recharge them, the electrolytes are pumped through a so-called electrochemical cell.
  • the electrochemical cell is generally formed from two half-cells which are separated from one another by a separator in the form of a semi-permeable membrane and each have an electrolyte and an electrode.
  • the purpose of the semipermeable membrane is to spatially and electrically separate the cathode and the anode of an electrochemical cell.
  • the semi-permeable membrane must therefore be permeable to ions, which convert the stored chemical energy into electrical energy or vice versa.
  • Semipermeable membranes can be formed, for example, from microporous plastics and nonwovens made from glass fiber or polyethylene and so-called diaphragms. Redox reactions take place at both electrodes of the electrochemical cell, with the electrolytes releasing electrons at one electrode and accepting electrons at the other electrode.
  • the metallic and/or non-metallic ions of the electrolytes form redox pairs and consequently generate a redox potential.
  • redox pairs are iron-chromium, polysulfide-bromide or vanadium.
  • these or other redox pairs can be present in aqueous or non-aqueous solution.
  • the electrodes of a cell between which a potential difference forms as a result of the redox potentials, are outside the cell, e.g. B. via an electrical load, electrically connected to each other. While the electrons pass from one half-cell to the other outside the cell, ions from the electrolyte pass directly from one half-cell to the other half-cell through the semi-permeable membrane.
  • a potential difference can be applied to the electrodes of the half-cells instead of the electrical load, for example by means of a charging device, which reverses the redox reactions taking place at the electrodes of the half-cells.
  • Cell frames that enclose a cell interior are used, inter alia, to form the cell described.
  • the cell frames typically do not enclose the cell interior completely, but only along a peripheral narrow side.
  • the cell frame therefore runs around the circumference of the cell interior and separates two opposite, larger-area sides from one another, which in turn are assigned to a semipermeable membrane or an electrode.
  • the thickness of the cell frame, which is formed by the edge of the cell frame, is typically significantly less than the width and the height of the cell frame, which define the larger-area opposite sides.
  • Each half-cell of the electrochemical cell includes a cell frame of this type, which is produced, for example, from a thermoplastic material by injection molding.
  • a semi-permeable membrane is arranged between two cell frames, which separates the electrolytes of the half-cells from one another with regard to a convective exchange of substances, but allows certain ions to diffuse from one half-cell into the other half-cell.
  • an electrode is assigned to each of the cell interiors in such a way that they are in contact with the electrolyte flowing through the cell interiors.
  • the electrodes can, for example, close off the cell interior of each cell frame on the side facing away from the semipermeable membrane. But he can Cell interior remain essentially free and be filled only by one electrolyte.
  • the respective electrode can also be provided at least partially in the cell interior.
  • the electrode is then typically designed in such a way that the electrolyte can partially flow through the electrode.
  • electrodes with a high specific surface come into consideration here, on which the corresponding electrochemical reactions can take place correspondingly quickly and/or extensively. Ultimately, this leads to a high volume-specific performance of the cell.
  • the cell interiors are mostly closed by the electrode on the side facing away from the semipermeable membrane.
  • So-called bipolar plates which can be coated, for example, with a catalyst or another substance, can also be used as the non-porous part of the electrodes.
  • Each cell frame has openings and channels through which the corresponding electrolyte can flow from a supply line into the respective cell interior and can be withdrawn from there and fed to a disposal line.
  • the electrolytes of the half-cells are pumped from a storage tank to a collection tank via the supply line and the disposal line. This allows the electrolytes to be reused, which consequently do not have to be discarded or replaced.
  • each cell frame has at least two openings, at least one of which is connected to a supply line, while the at least one other opening is connected to the disposal line.
  • each port is connected to a flow channel that opens to the cell interior. This allows electrolyte to be supplied from the supply line to the cell interior via a supply channel and the electrolyte that has flowed through the cell interior to be discharged via a discharge channel.
  • the respective supply channel and/or discharge channel between the outer opening and the cell interior i.e. in the area of the frame jacket of the cell frame, can be branched once or several times.
  • a series of separate supply channels and/or discharge channels for supplying or removing electrolyte can be provided in the cell frame. In both cases, the electrolyte enters the cell interior distributed as evenly as possible via the outlet openings of the supply channels on one side of the cell frame and exits the cell interior again as evenly distributed as possible via the discharge channels on the other side of the cell frame.
  • the feed channels are connected to the supply line via inlet openings.
  • the electrolyte can get from the supply line through the at least one feed channel of the cell frame of each half-cell into the corresponding cell interior.
  • a plurality of electrochemical cells of the same type are combined in a redox flow battery.
  • the cells are usually stacked on top of each other, which is why the entirety of the cells is also referred to as a cell stack or cell stack.
  • the electrolytes usually flow through the individual cells parallel to one another, while the cells are usually electrically connected in series.
  • the cells are usually connected hydraulically in parallel and electrically in series. In this case, the state of charge of the electrolytes is the same in one of the half-cells of the cell stack.
  • half-cells are connected to one another with supply and disposal lines.
  • each half-cell or each cell interior of a cell has a different electrolyte flowing through it, the two electrolytes must be separated from one another while passing through the cell stack. Therefore, as a rule, two separate supply lines and two separate disposal lines are provided along the cell stack. Everyone these channels are usually partially formed by the cell frames themselves, which have four openings for this purpose. The openings extend along the cell stack and form the supply and disposal lines, arranged one behind the other and, if necessary, separated from one another by sealing materials.
  • the electrodes in at least one of the half-cells reach at least partially into the cell interior, are porous and have the corresponding electrolyte flowing through them.
  • the increase in power density is often unsatisfactory. This indicates that the surface area provided by the electrode is not being used fully or as effectively as possible. This can be explained by a non-uniform flow through the electrodes, as can also be observed in the flow through similar porous solids. Even small irregularities in the porosity lead to irregular flows, as the pressure losses depend heavily on the corresponding free flow cross-sections and the volume flow. However, an uneven flow through a cell interior can also occur if no porous section of the electrodes engages in the cell interior.
  • cell frames with finger elements or webs have been proposed which extend into the cell interior or through the cell interior.
  • Cell chambers are then provided on either side of the finger member or strut.
  • struts that extend through the entire cell interior from one side to the opposite side, these can completely separate the cell chambers from one another, through which different proportions of the corresponding electrolyte flow.
  • finger elements that have a free end, the cell chambers are connected to one another at least in the area of the free ends of the finger elements.
  • a part of an electrode with a porosity for the flow of the electrolyte can be provided.
  • the porosity of the electrode enables the electrolyte to flow at least in sections through the electrode from a supply channel to a discharge channel of the same cell frame. Otherwise, the corresponding electrolyte flows along a non-porous surface of the corresponding electrode from a supply channel to a discharge channel of the same cell frame.
  • the present invention is therefore based on the object of designing and developing the electrochemical cells and the cell stack of the type mentioned at the beginning and explained in more detail above in such a way that a more expedient flow can be achieved that reliably enables a lower pressure loss and a higher power density.
  • a cell stack in particular a redox flow battery, comprising a plurality of electrochemical cells according to one of claims 1 to 14.
  • the finger elements of the cell frame can therefore not only be used to divide the cell interior into different cell chambers and for the corresponding flow guidance of the electrolytes in the cell interior.
  • Some of the finger elements also accommodate at least one supply channel and/or one discharge channel, so that the electrolyte can enter the cell interior and/or exit from the cell interior via corresponding outlet openings and/or inlet openings. In this way, the flow of the electrolyte can be specified and adjusted much more precisely.
  • the flow of the electrolyte is therefore less random and dependent on the unavoidable irregularities of the cell interior, in particular an electrolyte provided in the cell interior.
  • the pressure loss can be predicted more reliably.
  • the flow of the electrolyte can also be distributed more evenly, with the electrolyte also having to cover shorter distances if necessary. Consequently, the pressure loss of the electrolyte across the cell interior can be reduced by appropriate use of the finger members of the cell frame.
  • the cell frame has in particular a plate-like shape in which the cell interior is integrated.
  • the cell frame thus has a height or thickness perpendicular to a plane defined by the cell interior or by the cell frame itself, which can be many times smaller than the length or width parallel to the plane defined by the cell interior or by the cell frame itself .
  • the cell frame has at least essentially a constant height or thickness all around the cell interior.
  • the height or the thickness of the cell interior corresponds, if required, at least essentially to the height or thickness of the cell frame.
  • the height of the cell interior can in particular also be somewhat less than the height of the cell frame, because the semipermeable membrane and/or a non-permeable section of the electrode can be provided at least partially in the cell frame.
  • the cell frame is made of a plastic, in which case production by means of injection molding is then possible to form the at least one feed channel and/or the at least one discharge channel in a simple manner in the cell frame.
  • the electrode in the cell interior has a porosity for the electrolyte to flow through at least partially from the at least one supply channel to the at least one discharge channel. Since the electrolyte can flow through the porous section of the electrode, unlike a preferably provided non-porous section of the electrode, the space occupied by the porous section of the electrode is assigned to the cell interior, which is plausible in particular from a functional point of view.
  • the porous section of the electrode can be designed in one piece or in multiple pieces, with a one-piece configuration being possible for the sake of simplicity.
  • the electrode can be formed from fibers, in particular like a felt.
  • the material for the electrode is graphite, which can be present in the form of graphite fibers.
  • the porosity of the electrode provides a significantly larger interface between the electrode and the electrolyte, which favors the processes and reactions taking place in the corresponding interface. In particular, the processes and reactions run faster and/or more extensively.
  • a porous portion of the electrode is provided in the cell interior and electrically conductively connected to a non-porous portion of the electrode. Electrolyte cannot pass through the non-porous portion of the electrode, unlike the porous portion of the electrode. This can be used to at least partially close the cell interior. Closing the cell interior is particularly useful on a side of the cell frame that is opposite a semipermeable membrane and can in turn close the cell interior on the corresponding side.
  • the cell interior is on the length and width of the cell frame defining Sides closed by the electrode and the semipermeable membrane and at the height or thickness of the cell frame defining narrow sides of the cell frame by the cell frame itself.
  • the non-porous section of the electrode can be in the form of a bipolar plate.
  • the use of bipolar plates in combination with porous electrodes has already been provided for in a number of known electrochemical cells. For the sake of simplicity, a similar configuration also appears to be advantageous here.
  • the electrode can be inadvertently compressed, at least in its porous areas. In this case, however, the electrode can no longer be flown through as desired in these areas, and increased pressure losses result. However, correspondingly increased pressures of the electrolyte are regularly undesirable because this can easily lead to damage and/or leaks in the electrochemical cell or the cell stack. So that the electrode is not excessively compressed and/or so that the electrolyte can flow through the cell interior as evenly as possible, it is expedient if the at least one finger element is designed as an at least essentially continuous strut bridging the cell interior.
  • a finger element is basically understood to mean one that can have a free end. The finger element can thus protrude into the cell interior and end with its free end in the cell interior.
  • the finger element can also be designed without a free end, in that the finger element is designed in the form of a strut, which is connected at two different points to the area of the cell frame that encloses the cell interior and extends through the cell interior in between, the finger element or the Strut preferably separates two cell chambers from each other. It is further preferred if the strut extends transversely through the cell interior from one side of the cell frame to the opposite side of the cell frame. In addition, for the sake of simplicity, this can be done in a direction parallel to the length or width of the cell frame and/or the cell interior. Alternatively or additionally, for the sake of simplicity, it is also preferred if the finger elements or struts extend in a straight line through the cell interior.
  • the pressure loss of the electrolyte across the cell interior can be reduced by the fact that the flow of the electrolyte through the cell interior is more uniform he follows.
  • at least one flow channel can be embedded in the electrode.
  • the flow channel is characterized in that the free flow cross section in the flow channel is significantly larger, in particular by a multiple, than the average pore diameter of the porous section of the electrode. Electrolyte can then get into the pores of the electrode via the flow channel. Alternatively or additionally, electrolyte escaping from the pores of the electrode can be collected in the flow channel. Against this background, it is also particularly useful if the at least one flow channel is embedded in the porous section of the electrode.
  • the at least one flow channel is connected to an inlet opening and/or outlet opening of the at least one finger element. Then the electrolyte to be distributed can be distributed via the flow channel in the porosity of the electrode and/or the electrolyte to be collected can be collected via the flow channel.
  • the flow of the electrolyte can be distributed uniformly to the cell interior of the cell frame if the flow channels adjoining at least one inlet opening and the flow channels adjoining at least one outlet opening are alternately provided in at least one direction. In this case, this direction is preferably parallel to a aligned to the plane defined by the cell border.
  • a uniform flow of the electrolyte in the cell interior can be supported in that the at least one flow channel of the electrode and the at least one finger element of the cell frame are arranged at least essentially perpendicular to one another. Then the electrolyte can flow in a direction through the finger element in a direction perpendicular thereto through the at least one flow channel of the electrode.
  • the advantages associated with the at least one finger element can be used even more extensively if a plurality of finger elements arranged at least essentially parallel to one another are provided. In this way, a uniform flow of the electrolyte through the cell interiors can be achieved even with larger cell interiors.
  • a plurality of at least essentially parallel flow channels are provided in the electrode.
  • the electrolyte can then be supplied to the cell interior via a supply channel in a finger element and removed via a discharge channel of an adjacent finger element or the peripheral edge of the cell frame.
  • the direction of flow of the electrolyte in the cell interior can be specified precisely, namely always from a supply channel to a discharge channel.
  • the finger elements do not necessarily have to be straight.
  • the finger elements or the struts form a lattice structure.
  • the interior of the cell can be divided into individual quadrants, which then form separate cell chambers be able.
  • the additional connections can lead to an additional stiffening of the cell frame.
  • individual segments of the finger elements or the struts can then be used for a materially or form-fitting connection with adjoining semipermeable membranes or, in particular, non-porous sections of electrodes.
  • the at least one supply channel and/or the at least one discharge channel extends in only one direction in a finger element or in a strut. No electrolyte is then conducted in sections of the finger element or the strut that are oriented transversely to the at least one supply channel and/or at least one discharge channel; these sections then serve purposes other than the conduction of the electrolyte.
  • the at least one finger element is materially bonded to the semipermeable membrane and/or to, in particular the non-porous section, of the electrode.
  • the electrochemical cell becomes more stable and stiff overall.
  • the cell frame and thus the electrochemical cell as a whole are therefore less susceptible to undesired deformations or leaks.
  • the electrode this applies to a particular degree if the at least one finger element is connected to the bipolar plate, which typically itself already provides high torsional rigidity or a high area moment of inertia.
  • adhesive or welded connections are particularly suitable.
  • the non-porous section of the electrode which can in particular be designed as a bipolar plate, and the porous section of the electrode do not have to be firmly connected to one another.
  • the manufacture of the electrochemical cell can be simplified and damage to the electrode can be avoided.
  • the non-porous section the electrode or the bipolar plate and the porous section of the electrode engage in one another in a form-fitting manner. This allows a slight movement of said electrode sections and at the same time it can be ensured that these sections of the electrode remain reliably aligned with one another in a predetermined manner, for example during assembly and operation.
  • the non-porous section of the electrode has ribs.
  • the ribs of the non-porous section of the electrode or of the bipolar plate can then positively engage in the porous section of the electrode in order to position the different sections of the electrode against one another. If the ribs of the non-porous section of the electrode or the bipolar plate engage in the flow channels of the porous section of the electrode, at least in sections, not only does the structure of the electrode become stiffer overall, but a uniform flow of the electrolyte through the cell interior is also promoted, since the width of the flow channels remains constant due to the positive fit.
  • the finger elements are each provided in both half cells of the plurality of electrochemical cells.
  • the advantages described above can be used all the more or in both half-cells of the electrochemical cells.
  • the finger elements are arranged at least in sections in the stacking direction of the electrochemical cells at least substantially flush with one another, at least in half-cells that are adjacent to one another. In this way, the electrolyte can flow evenly in the cell interiors of the half-cells.
  • a positive fit between the cell frame, the semipermeable membranes and, if necessary, the electrodes can be achieved, which allows forces to be dissipated via the finger elements to adjacent finger elements via different half-cells and, if required, via different electrochemical cells.
  • a stable and rigid cell stack can be provided which is less inclined to deform in an undesired manner or to leak, for example without the contact pressures between the half-cells and/or the electrochemical cells having to be excessively high.
  • the corresponding form fit can be achieved in particular without excessive compression of the electrodes, through which the flow occurs unevenly as a result of such compression, if the height of the respective aligned sections of the finger elements is at least essentially the height of the respective cell interior and/or the respective cell frame in each case Corresponds to the area of the aligned sections of the finger elements.
  • the finger elements are then preferably in contact with the semi-permeable membranes and the electrodes, so that the finger elements can transmit forces to adjacent finger elements without any significant deformation of the electrochemical cells or the cell stack being necessary for this. This is particularly true when the aligned sections of the finger elements are in contact with a semipermeable membrane on one side and with a non-porous section of the electrode, in particular the bipolar plate, on the opposite side.
  • FIG. 1A-B a first cell stack according to the invention in the form of a redox flow battery in a longitudinal section
  • FIG. 2A-D a cell frame of an electrochemical cell according to the invention of the cell stack from FIG. 1 together with an associated electrode in the cell interior of the cell frame in a top view and in opposite sectional views along a sectional plane BB or CC perpendicular to the plane of the cell frame,
  • FIG. 3 shows part of the electrode from FIG. 2 in a perspective view and
  • FIG. 4 shows a detail of a second cell stack according to the invention in an enlarged view.
  • the cell stack 1 comprises three cells 2, each having two half-cells 3 with corresponding electrolytes.
  • Each half-cell 3 has a cell frame 4, which includes a cell interior 5, through which an electrolyte stored in a storage container can be passed and into which an electrode 6 engages at least partially, which also closes off and closes the cell interior 5 on one side.
  • the electrolytes flowing through the cell interiors 5 differ from one another.
  • the respective cell interior 5 is closed on the side facing away from the electrode 6 adjacent to the cell frame 4 of the second half-cell 3 of the same electrochemical cell 2 by a semipermeable membrane 7 provided between the cell frame 4 of the two half-cells 3 .
  • a convective transfer of the two different electrolytes of the two half-cells 3 into the cell interior 5 of the cell frame 4 of the other half-cell 3 is thus prevented.
  • ions can diffuse from one electrolyte to the other electrolyte via the semipermeable membrane 7, resulting in charge transport. Electrons are either released or absorbed by redox reactions of the redox pairs of the electrolytes at the electrodes 6 of the half-cells 3 of a cell 2 .
  • the released electrons can flow from one electrode 6 to the other electrode 6 of a cell 2 via an electrical connection which is provided outside the redox flow battery and, if necessary, has an electrical load. Which reactions take place at which electrode 6 depends on whether the redox flow battery is being charged or discharged.
  • the electrodes 6 lie flat on an outside 8 of the cell frame 4 .
  • the electrode 6 thus forms a frame surface in the area of contact with the outside 8 of the cell frame 4 , which acts as a sealing surface 9 .
  • a sealing material 10 is located between the facing outer sides 8 of the cell frame 4 of a cell 2, in which the membrane 7 is accommodated in a sealing manner.
  • the sealing material 10 lies flat against the outer sides 8 of the adjoining cell frames 4 and thus forms frame surfaces that act as sealing surfaces 9 .
  • FIG. 1A there is a supply line 11 and a disposal line 12 shown.
  • a feed channel 13 branches off from the supply line 11 in one half-cell 3 of each cell 2 , via which feed channel 13 the electrolyte can be fed to the corresponding cell interior 5 of the half-cell 3 .
  • a discharge channel 14 is provided on opposite sections of the corresponding cell frames 4 , via which the electrolyte can be discharged from the cell interiors 5 into the disposal line 12 .
  • the supply line 11 not shown in FIG. 1A and the disposal line 12 also not shown, enable the second electrolyte to flow through the other cell interiors 5 of the other half-cells 3 via a similar supply channel 13 and a discharge channel 14 .
  • FIG. 2A-B shows top views of a cell frame 4 and sectional views along a common sectional plane but in opposite viewing directions.
  • the cell frame without an electrode is shown in FIG. 2A and the same cell frame with an inserted electrode is shown in FIG. 2B.
  • the electrodes are also shown in place.
  • each opening 15 is part of a supply line 11 or a disposal line 12 forms.
  • the supply channel 13 and the discharge channel 14 are embedded as depressions or open channels in the illustrated outside 8 of the frame casing 16 of the cell frame 4 running around the cell interior 5 .
  • the supply channel 13 and the discharge channel 14 are closed to form lines that are closed on the peripheral side when they are assembled to form a cell stack 1 .
  • this is done, for example, and in sections by the sealing materials 10 and the electrodes 6.
  • the electrodes 6 could also be spatially separated from the supply lines 11 and the disposal lines 12 by sealing materials 10 and/or the electrical insulation of these materials.
  • the sealing material 10 adjacent to the semipermeable membrane 7, the feed channels 13 and the discharge channels 14 could also be dispensed with.
  • the supply channel 13 and the discharge channel 14 are branched, so that the electrolyte can be distributed via the supply channel 13 over the cell interior 5 and can be discharged distributed via the discharge channel 14 .
  • this is not required. It is also possible to provide supply channels 13 that lead off the supply line 11 separately. Likewise, discharge channels 14 connected separately to a disposal line 12 could also be provided.
  • the cell frame 4 that is shown and is preferred in this respect is provided surrounding the cell interior 5 and also has three finger elements 17 designed as struts that extend transversely through the cell interior 5 and thus divide the cell interior 5 into four cell chambers 18, which in the cell frame 4 be completely separated from each other.
  • the finger elements 17 also run parallel to the plane of the cell frame 4 and parallel to one another as well as parallel to the longitudinal extent of the cell frame 4. Furthermore, the finger elements 17 are spaced at least essentially the same distance from the adjacent finger element 17 or the lateral edge 19 of the cell interior 5. In this way, cell chambers 18 of the same size are provided.
  • the cell frame 4 shown and preferred in this respect has two finger elements 17 each having a part of the feed channel 13 which is also formed as an open channel in the area of the finger elements 17 and is closed by the semipermeable membrane 7 or the electrode 6 .
  • the third and middle finger element 17, on the other hand, has part of the discharge channel 14, which is also designed as an open channel, which is closed by the semipermeable membrane 7 or the electrode 6 when the cell 2 is assembled.
  • parts of the discharge channel 14 are also provided in the lateral edges 19, into which electrolyte can flow from the cell interior 5.
  • parts of the feed channel 13 could also be provided in the sides of the cell frame 4 .
  • finger elements 17 with a part of the discharge channel 14 would preferably connect to the inside.
  • the electrolyte is conducted from the feed channel 13 to the discharge channel 14 via a cell chamber 18 in each case.
  • the electrolyte flows into the cell interior 5 via outlet openings 20 which are distributed along the length of the finger element 17 .
  • the electrolyte flows from the cell interior 5 or the cell chambers 18 via inlet openings 21 into the discharge channel 14.
  • the inlet openings 21 are provided in the illustrated and to this extent preferred cell frame 4 in the finger element 17 and in the lateral edges 19 of the cell frame 4. If a supply channel 13 should be provided in the lateral edges 19 of the cell frame 4, outlet openings 20 are preferably also provided there in order to allow the electrolyte to flow from there into the cell interior 5.
  • the outlet ports 20 and inlet ports 21 are shown in Figures 2C-D. It is also shown that the finger elements 17 extend at least essentially over the entire height of the cell frame 4 . However, part of the height of the cell frame 4 in the area of the finger elements 17 is provided by the electrode 6 . This part of the electrode 6 represents the non-porous section 22 of the electrode 6 in the form of a bipolar plate.
  • the porous section 23 of the electrode 6 extends into the cell chambers 18 of the cell interior 5 and is electrically conductive conductive contact to the non-porous portion 22 of the electrode 6 is provided.
  • the porous section 23 of the electrode 6 has flow channels 24 which connect at one end to an outlet opening 20 of the supply channel 13 or an inlet opening 21 of the discharge channel 14 .
  • the flow channels 24 run parallel to one another and at an at least substantially equal distance from one another. Ribs 26 are provided along the flow channels 24 in the non-porous section 22 of the electrode 6 and engage in the flow channels 24 of the porous section 23 of the electrode 6 in a form-fitting manner.
  • the flow channels 24 are provided with a free end 25, so that the flow channels 24 are not in direct contact with one another.
  • the flow channels 24 are each spaced apart from one another via porous regions of the electrode 6 .
  • the flow channels 24 extend over the majority of the width of the cell chamber 18. The length of the flow channels 24 is approximately the same. It makes no difference here whether the flow channels 24 connect to a supply channel 13 or a discharge channel 14 . In the electrode 6 shown, the flow channels 24 are cut out of the porous material of the electrode 6 .
  • the porous material of the electrode 6 is a kind of felt made of graphite fibers.
  • the non-porous section 22 of the electrode 6 is in the form of a solid plate made of graphite, from which the ribs 26 for the form fit with the porous section 23 of the electrode 6 protrude.
  • the thickness of the porous section 23 of the electrode 6 is significantly greater than the height of the ribs 26. In many cases it is expedient if the thickness of the porous section 23 of the electrode 6 is at least twice the height of the ribs 26 of the not porous section 22 of the electrode 6. In the present case, the thickness of the porous section 23 of the electrode 6 is at least three times the height of the ribs 26.
  • each of the half-cells 3 comprises a cell frame 4, with a semipermeable membrane 7 or a non-porous section 22 of the electrode 6 being provided between two cell frames 4 in each case.
  • the semi-permeable membrane 7 and the non-porous portion 22 of the electrode 6 are connected to the associated cell frame 4 without a sealant.
  • the connection is materially bonded and has been joined by welding the cell frame 4 formed from a thermoplastic material and the semipermeable membranes 7 or electrodes 6, which are also made at least partially from a thermoplastic material.
  • the cell stack 1 could basically also be designed in a different way.
  • a finger element 17 is provided between a semipermeable membrane 7 and a non-porous section 22 of the electrode 6 in which a supply channel 13 or discharge channel 14 in the form of an open channel closed by the semipermeable membrane 7 is provided.
  • the finger elements 17 are connected, in particular welded, to the non-porous sections 22 of the electrodes 6 via material connections 27 .
  • the finger elements 17 extend from the porous section 23 of the electrode 6 to the adjacent semipermeable membrane 7, ie over the entire height of the cell interior 5, so that two adjacent cell chambers 18 are separated from one another.
  • the corresponding finger elements 17 of the successive half-cells 3 are arranged in alignment with one another in the stacking direction of the half-cells 3 .

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Elektrochemische Zelle (2), insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen (4) und wenigstens einer Elektrode (6), wobei der Zellrahmen (4) einen Zellinnenraum (5) umfangsseitig umschließt, wobei der Zellrahmen (4) wenigstens einen Zuführkanal (13) zum Zuführen von Elektrolyt in den Zellinnenraum (5) und wenigstens einen Abführkanal (14) zum Abführen von Elektrolyt aus dem Zellinnenraum (5) aufweist, wobei der wenigstens eine Zellrahmen (4) wenigstens ein in den Zellinnenraum (5) ragendes Fingerelement (17) aufweist und wobei die Elektrode (6) wenigstens bereichsweise in dem Zellinnenraum (5) und auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Fingerelements (17) angeordnet ist. Damit eine zweckmäßigere Durchströmung erreicht werden kann, die zuverlässig einen geringeren Druckverlust und eine höhere Leistungsdichte ermöglicht, ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Zuführkanal (13) und/oder der wenigstens eine Abführkanal (14) wenigstens abschnittsweise in dem Fingerelement (17) vorgesehen ist und dass das wenigstens eine Fingerelement (17) wenigstens eine Auslassöffnung (20) in den Zellinnenraum (5) für den zuzuführen Elektrolyten und/oder wenigstens eine Einlassöffnung (21) aus dem Zellinnenraum (5) für den abzuführenden Elektrolyten aufweist.

Description

Elektrochemische Zelle, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, sowie entsprechender Zellstack
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere einer Redox-Flow- Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen und wenigstens einer Elektrode, wobei der Zellrahmen einen Zellinnenraum umfangsseitig umschließt, wobei der Zellrahmen wenigstens einen Zuführkanal zum Zuführen von Elektrolyt in den Zellinnenraum und wenigstens einen Abführkanal zum Ab führen von Elektrolyt aus dem Zellinnenraum aufweist, wobei der wenigstens eine Zellrahmen wenigstens ein in den Zellinnenraum ragendes Fingerelement aufweist und wobei die Elektrode wenigstens bereichsweise in dem Zellinnenraum und auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Fingerelements angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Zellstack, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, umfassend eine Mehrzahl entsprechender elektrochemischer Zellen.
Elektrochemische Zellen sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden teilweise auch als elektrochemische Reaktoren bezeichnet, da in den elektrochemischen Zellen elektrochemische Reaktionen ablaufen. Die elektrochemischen Zellen können je nach ihrer Verwendungbeispielsweise als galvanische Zellen in Form von elektrochemischen Stromquellen ausgebildet sein, die durch chemische Reaktionen an den verschiedenen Elektroden nutzbare elektrische Energie liefern. Alternativ können die elektrochemischen Zellen aber auch Elektrolysezellen sein, die der Produktion bestimmter Produkte durch Anlegen einer äußeren Spannung dienen. Akkumulatorzellen dienen dabei im Wechsel wie galvanische Zellen als Stromquelle und zudem als Stromspeicher, wie bei einer Elektrolysezelle. Die vorliegende Erfindung kann bei allen Arten von elektrochemischen Zellen genutzt werden. Ganz besonders bevorzugt ist die Erfindung aber im Zusammenhang mit Akkumulatorzellen und hier bevorzugt im Zusammenhang mit Redox-Flow-Batterien, die selbst bereits lange und in verschiedenen Ausführungen bekannt sind. Solche Ausführungen sind beispielhaft in der EP 0 051 766 Al und der US 2004/0170893 Al beschrieben. Ein wichtiger Vorteil der Redox-Flow-Batterien liegt in der flexiblen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität und damit in ihrer Eignung, auch bei geringer gewählter Leistungsfähigkeit sehr große Mengen an Energie speichern zu können und umgekehrt. Die Energie wird dabei in Elektrolyten gespeichert, die in externen Tanks bereitgehalten werden können. Die Elektrolyte weisen meist metallische Ionen unterschiedlicher Oxidationsstufen auf. Zur Entnahme von elektrischer Energie aus den Elektrolyten oder zum Wiederaufladen derselben werden die Elektrolyte durch eine sogenannte elektrochemische Zelle gepumpt.
Die elektrochemische Zelle wird dabei in der Regel aus zwei Halbzellen gebildet, die über einen Separator in Form einer semipermeablen Membran voneinander getrennt sind und jeweils ein Elektrolyt und eine Elektrode aufweisen. Die semipermeable Membran hat die Aufgabe, die Kathode und die Anode einer elektrochemischen Zelle räumlich und elektrisch voneinander zu trennen. Die semipermeable Membran muss daher für Ionen durchlässig sein, welche die Umwandlung der gespeicherten chemischen in elektrische Energie oder umgekehrt bewirken. Semipermeable Membranen können beispielsweise aus mikroporösen Kunststoffen sowie Vliesen aus Glasfaser oder Polyethylen und sogenannten Diaphragmen gebildet werden. An beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle laufen Redox-Reaktionen ab, wobei von den Elektrolyten an einer Elektrode Elektronen freigesetzt und an der anderen Elektrode Elektronen aufgenommen werden. Die metallischen und/oder nichtmetallischen Ionen der Elektrolyte bilden Redox-Paare und erzeugen folglich ein Redox-Potential. Als Redox-Paare kommen beispielsweise Eisen-Chrom, Polysulfid- Bromid oder Vanadium in Frage. Diese oder auch andere Redox-Paare können grundsätzlich in wässriger oder nicht wässriger Lösung vorliegen. Die Elektroden einer Zelle, zwischen denen sich infolge der Redoxpotentiale eine Potentialdifferenz ausbildet, sind außerhalb der Zelle, z. B. über einen elektrischen Verbraucher, elektrisch miteinander verbunden. Während die Elektronen außerhalb der Zelle von einer Halbzelle zur anderen gelangen, treten Ionen der Elektrolyte durch die semipermeable Membran direkt von einer Halbzelle zur anderen Halbzelle über. Zum Wiederaufladen der Redox-Flow-Batterie kann an die Elektroden der Halbzellen anstelle des elektrischen Verbrauchers, beispielsweise mittels eines Ladegeräts, eine Potentialdifferenz angelegt werden, durch welche die an den Elektroden der Halbzellen ablaufenden Redox-Reaktionen umgekehrt werden.
Zur Bildung der beschriebenen Zelle werden unter anderem Zellrahmen verwendet, die einen Zellinnenraum umschließen. Dabei umschließen die Zellrahmen den Zellinnenraum typischerweise nicht vollständig, sondern lediglich entlang einer umlaufenden Schmalseite. Mithin läuft der Zellrahmen umfangsseitig umlaufend um den Zellinnenraum um und trennt zwei gegenüberliegende großflächigere Seiten voneinander, die ihrerseits wiederum einer semipermeablen Membran oder einer Elektrode zugeordnet sind. Dabei ist die Dicke des Zellrahmens, der von dem Rand des Zellrahmens gebildet wird, typischerweise deutlich geringer als die Breite und die Höhe des Zellrahmens, welche die großflächigeren gegenüberliegenden Seiten definieren.
Jede Halbzelle der elektrochemischen Zelle umfasst einen derartigen Zellrahmen, die beispielsweise im Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt werden. Zwischen zwei Zellrahmen wird eine semipermeable Membran angeordnet, die Elektrolyte der Halbzellen in Bezug auf einen konvektiven Stoffaustausch voneinander trennt, eine Diffusion bestimmter Ionen von einer Halbzelle in die andere Halbzelle aber zulässt. Den Zellinnenräumen wird zudem jeweils eine Elektrode derart zugeordnet, dass diese mit den die Zellinnenräume durchströmenden Elektrolyten in Kontakt stehen. Die Elektroden können beispielsweise den Zellinnenraum eines jeden Zellrahmens auf der der semipermeablen Membran abgewandten Seite abschließen. Dabei kann der Zellinnenraum im Wesentlichen frei bleiben und nur durch jeweils einen Elektrolyten gefüllt sein. Die jeweilige Elektrode kann aber auch wenigstens teilweise in dem Zellinnenraum vorgesehen sein. Dann ist die Elektrode typischerweise so ausgebildet, dass der Elektrolyt teilweise durch die Elektrode hindurchströmen kann. Vielfach kommen hier Elektroden mit einer hohen spezifischen Oberfläche in Frage, an der die entsprechenden elektrochemischen Reaktionen entsprechend schnell und/oder umfassend ablaufen können. Dies führt letztlich zu einer hohen volumenspezifischen Leistung der Zelle. Die Zellinnenräume sind aber auch dann, wenn die Elektrode in den Zellinnenraum hineinragt, meist auf der der semipermeablen Membran abgewandten Seite durch die Elektrode verschlossen. Als nicht poröser Teil der Elektroden kommen auch sogenannte bipolare Platten in Frage, die beispielsweise mit einem Katalysator oder einem anderen Stoff beschichtet sein können.
Jeder Zellrahmen weist Öffnungen und Kanäle auf, durch welche der entsprechende Elektrolyt von einer Versorgungsleitung in den jeweiligen Zellinnenraum strömen und von dort wieder abgezogen sowie einer Entsorgungsleitung zugeführt werden kann. Die Elektrolyte der Halbzellen werden dabei über die Versorgungsleitung und die Entsorgungsleitung von einem Vorlagebehälter in einen Sammelbehälter umgepumpt. Dies erlaubt eine erneute Verwendung der Elektrolyte, die folglich weder verworfen noch ersetzt werden müssen.
Umfasst die Redox-Flow-Batterie nur eine einzige Zelle, so befinden sich außerhalb der die Halbzellen bildenden Zellrahmen Versorgungsleitungen für jede Halbzelle und Entsorgungsleitungen für jede Halbzelle. Jeder Zellrahmen weist dabei wenigstens zwei Öffnungen auf, von denen wenigstens eine mit einer Versorgungsleitung verbunden ist, während die wenigstens eine andere Öffnung mit der Entsorgungsleitung verbunden ist. Innerhalb des Zellrahmens ist jede Öffnung mit einem Strömungskanal verbunden, der zum Zellinnenraum geöffnet ist. Dies erlaubt das Zuführen von Elektrolyt von der Versorgungsleitung zum Zellinnenraum über einen Zuführkanal und das Abführen des durch den Zellinnenraum geströmten Elektrolyts über einen Abführkanal. Um den Elektrolyt gleichmäßiger über die Breite des Zellinnenraums zu verteilen und den Elektrolyt gleichmäßiger über die Breite des Zellinnenraums abzuziehen, kann der jeweilige Zuführkanal und/oder Abführkanal zwischen der äußeren Öffnung und dem Zellinnenraum, also im Bereich des Rahmenmantels des Zellrahmens, einmal oder mehrmals verzweigt sein. Alternativ kann in dem Zellrahmen eine Reihe von separaten Zuführkanälen und/oder Abführkanälen zum Zuführen bzw. zum Ab führen von Elektrolyt vorgesehen sein. In beiden Fällen tritt der Elektrolyt möglichst gleichmäßig verteilt über die Auslassöffnungen der Zuführkanäle einer Seite des Zellrahmens in den Zellinnenraum ein und wieder möglichst gleich verteilt über die Abführkanäle der anderen Seite des Zellrahmens aus dem Zellinnenraum aus. So wird versucht, eine möglichst gleichmäßige Strömung durch den Zellinnenraum zu erreichen. Die Zuführkanäle sind an ihrem anderen Ende über Einlassöffnungen mit der Versorgungsleitung verbunden. So kann der Elektrolyt von der Versorgungsleitung durch den wenigstens einen Zuführkanal des Zellrahmens jeder Halbzelle in den entsprechenden Zellinnenraum gelangen.
Bedarfsweise wird eine Mehrzahl gleichartiger elektrochemischer Zellen in einer Redox-Flow-Batterie zusammengefasst. Meist werden die Zellen dazu aufeinander gestapelt, weshalb man die Gesamtheit der Zellen auch als Zellstapel oder Zellstack bezeichnet. Die einzelnen Zellen werden meist parallel zueinander von den Elektrolyten durchströmt, während die Zellen meist elektrisch hintereinander geschaltet werden. Die Zellen sind also meist hydraulisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet. In diesem Fall ist der Ladungszustand der Elektrolyte in jeweils einer der Halbzellen des Zellstapels gleich. Zur Verteilung der Elektrolyte auf die entsprechenden Halbzellen des Zellstacks und zur gemeinsamen Abführung der Elektrolyte aus den jeweiligen Halbzellen sind Halbzellen untereinander mit Versorgungs- und Entsorgungsleitungen verbunden. Da jede Halbzelle bzw. jeder Zellinnenraum einer Zelle von einem anderen Elektrolyt durchströmt wird, müssen die beiden Elektrolyte während des Durchtritts durch den Zellstack voneinander getrennt werden. Deshalb sind längs des Zellstapels in der Regel zwei separate Versorgungsleitungen und zwei separate Entsorgungsleitungen vorgesehen. Jeder dieser Kanäle wird in der Regel teilweise von den Zellrahmen selbst gebildet, welche dazu vier Öffnungen aufweisen. Die Öffnungen erstrecken sich längs des Zellstacks und bilden hintereinander angeordnet und bedarfsweise über Dichtungsmaterialien voneinander getrennt die Versorgungs- und Entsorgungsleitungen.
Bei einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen hat sich gezeigt, dass es zur Steigerung der Leistungsdichte zweckmäßig ist, wenn die Elektroden wenigstens in einer der Halbzellen wenigstens teilweise in den Zellinnenraum eingreifen, porös sind und von dem entsprechenden Elektrolyt durchströmt werden. Allerdings ist die Steigerung der Leistungsdichte oft nicht zufriedenstellend. Dies deutet darauf hin, dass die von der Elektrode zur Verfügung gestellte Oberfläche nicht vollständig oder nicht so effektiv wie möglich genutzt wird. Dies lässt sich durch eine ungleichmäßige Durchströmung der Elektroden erklären, wie sie auch bei der Durchströmung ähnlicher poröser Festkörper beobachtet werden kann. Bereits geringe Ungleichmäßigkeiten in der Porosität führen zu ungleichmäßigen Durchströmungen, da die Druckverluste stark von den entsprechenden freien Strömungsquerschnitten und dem Volumenstrom abhängen. Ein ungleichmäßiges Durchströmen eines Zellinnenraums kann aber auch dann auftreten, wenn kein poröser Abschnitt der Elektroden in den Zellinnenraum eingreift.
Um die Strömung des Elektrolyten von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem wenigsten einen Abführkanal durch den Zellinnenraum zu leiten, sind Zellrahmen mit Fingerelementen oder Stegen vorgeschlagen worden, die sich in den Zellinnenraum hinein oder durch den Zellinnenraum hindurch erstrecken. Zu beiden Seiten des Fingerelements oder der Strebe sind dann Zellkammern vorgesehen. Im Falle von Streben, die sich durch den gesamten Zellinnenraum von einer zur gegenüberliegenden Seite erstrecken, können diese die Zellkammern vollständig voneinander trennen, die von unterschiedlichen Anteilen des entsprechenden Elektrolyten durchströmt werden. Im Fall von Fingerelementen, die ein freies Ende aufweisen, sind die Zellkammern wenigstens im Bereich der freien Enden der Fingerelemente miteinander verbunden. In all diesen Zellkammern kann bedarfsweise ein Teil einer Elektrode mit einer Porosität zum Durchströmen des Elektrolyten vorgesehen sein. Die Porosität der Elektrode ermöglicht es dem Elektrolyt, wenigstens abschnittsweise durch die Elektrode von einem Zuführkanal zu einem Abführkanal desselben Zellrahmens zu strömen. Andernfalls strömt der entsprechende Elektrolyt entlang einer nicht porösen Oberfläche der entsprechenden Elektrode von einem Zuführkanal zu einem Abführkanal desselben Zellrahmens.
Die Verwendung von entsprechenden Fingerelementen oder Streben ermöglicht jedoch keine zufriedenstellende Durchströmung mit einem geringen, bestenfalls einstellbaren, Druckverlust. Dementsprechend kann auch die potentielle Leistungsdichte entsprechender elektrochemischer Zellen und Zellstacks in vielen Fällen nur bedingt erreicht werden.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die elektrochemischen Zellen und den Zellstack jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine zweckmäßigere Durchströmung erreicht werden kann, die zuverlässig einen geringeren Druckverlust und eine höhere Leistungsdichte ermöglicht.
Diese Aufgabe ist bei einer elektrochemischen Zelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal wenigstens abschnittsweise in dem Fingerelement vorgesehen ist und dass das wenigstens eine Fingerelement wenigstens eine Auslassöffnung in den Zellinnenraum für den zuzuführenden Elektrolyten und/oder wenigstens eine Einlassöffnung aus dem Zellinnenraum für den abzuführenden Elektrolyten aufweist.
Die genannte Aufgabe ist ferner gemäß Anspruch 15 gelöst durch einen Zellstack, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, umfassend eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 14. Die Fingerelemente der Zellrahmen können mithin nicht nur zur Einteilung des Zellinnenraums in unterschiedliche Zellkammern und zur entsprechenden Strömungsführung der Elektrolyte im Zellinnenraum genutzt werden. Die Fingerelemente nehmen teilweise auch wenigstens einen Zuführkanal und/oder einen Abführkanal auf, so dass der Elektrolyt über entsprechende Auslassöffnungen und /oder Einlassöffnungen in den Zellinnenraum eintreten und/oder aus dem Zellinnenraum austreten kann. Die Strömung des Elektrolyten kann auf diese Weise viel genauer vorgegeben und eingestellt werden. Die Strömung des Elektrolyten ist mithin weniger zufällig und von den unvermeidlichen Unregelmäßigkeiten des Zellinnenraums, insbesondere eines im Zellinnenraum vorgesehenen Elektrolyten, abhängig. Mithin kann der Druckverlust zuverlässiger vorhergesagt werden. Zudem kann die Strömung des Elektrolyten auch gleichmäßiger verteilt werden, wobei der Elektrolyt bedarfsweise auch kürzere Wegstrecken zurücklegen muss. Folglich lässt sich der Druckverlust des Elektrolyten über den Zellinnenraum durch die geeignete Verwendung der Fingerelemente des Zellrahmens verringern.
Der Zellrahmen weist vorliegend insbesondere eine plattenartige Form auf, in der der Zellinnenraum integriert ist. Der Zellrahmen weist also senkreckt zu einer durch den Zellinnenraum bzw. durch den Zellrahmen selbst definierten Ebene eine Höhe oder Dicke auf, die um ein Vielfaches kleiner sein kann als die Länge oder Breite parallel zu der durch den Zellinnenraum bzw. durch den Zellrahmen selbst definierten Ebene. Zudem ist es einfacher und zweckmäßiger, wenn der Zellrahmen umlaufend um den Zellinnenraum wenigstens im Wesentlichen eine konstante Höhe bzw. Dicke aufweist. Dabei entspricht die Höhe oder die Dicke des Zellinnenraums bedarfsweise wenigstens im Wesentlichen der Höhe oder Dicke des Zellrahmens. Die Höhe des Zellinnenraums kann aber insbesondere auch etwas geringer sein als die Höhe des Zellrahmens, weil die semipermeable Membran und/oder ein nicht permeabler Abschnitt der Elektrode wenigstens teilweise in dem Zellrahmen vorgesehen sein kann. Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der Zellrahmen aus einem Kunststoff hergestellt ist, wobei sich dann eine Herstellung im Wege des Spritzgießens anbietet, um den wenigstens einen Zuführkanal und/oder den wenigstens einen Abführkanal in einfacher Weise im Zellrahmen auszubilden.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Zelle weist die Elektrode im Zellinnenraum eine Porosität zur Durchströmung des Elektrolyt wenigstens teilweise von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem wenigstens einen Abführkanal auf. Da der poröse Abschnitt der Elektrode anders als ein in bevorzugter Weise vorgesehener nicht poröser Abschnitt der Elektrode von dem Elektrolyten durchströmt werden kann, wird der von dem porösen Abschnitt der Elektrode eingenommene Raum dem Zellinnenraum zugeordnet, was insbesondere aus funktionaler Sicht plausibel ist. Der poröse Abschnitt der Elektrode kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei sich eine einteilige Ausgestaltung der Einfachheit halber anbieten kann. Des Weiteren kann die Elektrode aus Fasern, insbesondere filzartig, ausgebildet sein. Ganz grundsätzlich bietet sich als Material für die Elektrode, wenigstens den porösen Teil der Elektrode, Graphit an, das in Form von Graphitfasern vorliegen kann. Durch die Porosität der Elektrode wird eine deutlich größere Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Elektrolyt bereitgestellt, was die in der entsprechenden Grenzfläche ablaufenden Prozesse und Reaktionen begünstigt. Die Prozesse und Reaktionen laufen insbesondere schneller und/oder umfassender ab.
In diesem Zusammenhang ist es besonders zweckmäßig, wenn die Elektrode unterschiedliche Abschnitte aufweist. Ein poröser Abschnitt der Elektrode ist in dem Zellinnenraum vorgesehen und elektrisch leitend mit einem nicht porösen Abschnitt der Elektrode verbunden. Durch den nicht porösen Abschnitt der Elektrode kann anders als durch den porösen Abschnitt der Elektrode kein Elektrolyt hindurchtreten. Dies kann dazu genutzt werden, den Zellinnenraum wenigstens teilweise zu verschließen. Das Verschließen des Zellinnenraums bietet sich dabei insbesondere an einer Seite des Zellrahmens an, die einer semipermeablen Membran gegenüberliegt und ihrerseits den Zellinnenraum an der entsprechenden Seite verschließen kann. Der Zellinnenraum ist dabei an den die Länge und Breite des Zellrahmens definierenden Seiten durch die Elektrode und die semipermeable Membran sowie an den die Höhe oder Dicke des Zellrahmens definierenden Schmalseiten des Zellrahmens von dem Zellrahmen selbst verschlossen. Dies schließt aber nicht aus, dass dem Zellinnenraum über den wenigstens einen Zuführkanal Elektrolyt zugeführt und/oder über den wenigstens einen Abführkanal Elektrolyt entzogen werden kann. Auf diese Weise kann auch sehr einfach und effizient ein Zellstack aus mehreren übereinandergestapelten elektrochemischen Zellen gebildet werden. Unabhängig davon kann der nicht poröse Abschnitt der Elektrode in Form einer Bipolarplatte ausgebildet sein. Die Verwendung von Bipolarplatten in Kombination mit porösen Elektroden ist bereits bei einer Reihe von bekannten elektrochemischen Zellen vorgesehen worden. Eine ähnliche Ausgestaltung erscheint der Einfachheit halber auch hier von Vorteil.
Die Elektrode kann bei der Fertigung der elektrochemischen Zelle bzw. eines Zellstacks wenigstens in ihren porösen Bereichen versehentlich zusammengedrückt werden. Dann kann die Elektrode in diesen Bereichen aber nicht mehr wie gewünscht durchströmt werden und es ergeben sich erhöhte Druckverluste. Entsprechend erhöhte Drücke des Elektrolyten sind aber regelmäßig unerwünscht, weil dies leicht zu Beschädigungen und/oder Undichtigkeiten der elektrochemischen Zelle bzw. des Zellstacks führen kann. Damit die Elektrode nicht übermäßig zusammengedrückt wird und/oder damit der Elektrolyt möglichst gleichmäßig den Zellinnenraum durchströmen kann, ist es bedarfsweise zweckmäßig, wenn das wenigstens eine Fingereiementals wenigstens im Wesentlichen durchgehende, den Zelleninnenraum überbrückende Strebe ausgebildet ist. Auf diese Weise können zwei Zellkammern des Zellinnenraums voneinander durch das Fingerelement getrennt werden, so dass die Verhältnisse in der einen Zellkammer die Verhältnisse in der anderen Zellkammer nicht oder nur bedingt beeinflussen. So ist die Strömung des Elektrolyten in wenigstens einer der Zellkammern vorhersehbarer und wenigstens in etwa so wie vorherbestimmt, was die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle insgesamt verbessern kann. Unter einem Fingerelement wird dabei grundsätzlich eines verstanden, das ein freies Ende aufweisen kann. Das Fingerelement kann also in den Zellinnenraum hineinragen und mit seinem freien Ende in dem Zellinnenraum enden. Das Fingerelement kann aber auch ohne freies Ende ausgebildet sein, indem das Fingerelement in Form einer Strebe ausgebildet ist, die an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem den Zellinnenraum umschließenden Bereich des Zellrahmens verbunden ist und sich dazwischen durch den Zellinnenraum erstreckt, wobei das Fingerelement bzw. die Strebe vorzugsweise zwei Zellkammern voneinander abgrenzt. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Strebe sich quer durch den Zellinnenraum von einer Seite des Zellrahmens zur gegenüberliegenden Seite des Zellrahmens erstreckt. Dies kann zudem der Einfachheit halber in einer Richtung erfolgen, die parallel zur Länge oder Breite des Zellrahmens und/oder des Zellinnenraums ist. Alternativ oder zusätzlich ist es der Einfachheit halber auch bevorzugt, wenn sich die Fingerelemente oder Streben geradlinig durch den Zellinnenraum erstrecken.
Eine versehentlich übermäßige Kompression von bestimmten Teilbereichen der Elektrode kann einfach dadurch vermieden werden, dass die Höhe des wenigstens einen Fingerelements wenigstens abschnittsweise wenigstens im Wesentlichen der Höhe des Zellinnenraums und/oder des Zellrahmens im entsprechenden Bereich des Fingerelements entspricht. Dann können übermäßige Druckkräfte auf den Zellrahmen abgeleitet werden, ohne dass diese bedarfsweise in nennenswerter Weise von der Elektrode aufgenommen werden müssen. Dies ist in besonderem Maße der Fall, wenn das Fingerelement auf einer Seite an einer semipermeablen Membran und auf der gegenüberliegenden Seite an einem nicht porösen Abschnitt der Elektrode anliegt. Dann können die auf den Zellrahmen abgeleiteten Kräfte von diesem an die sich anschließenden Bauteile abgeleitet werden, so dass die auftretenden Drücke nicht oder nur geringfügig zu einer unerwünschten Verformung der elektrochemischen Zelle führen können.
Der Druckverlust des Elektrolyten über den Zellinnenraum kann dadurch verringert werden, dass die Strömung des Elektrolyten durch den Zellinnenraum gleichmäßiger erfolgt. Um dies zu erreichen, kann in der Elektrode wenigstens ein Strömungskanal eingelassen sein. Dabei zeichnet sich der Strömungskanal dadurch aus, dass der freie Strömungsquerschnitt in dem Strömungskanal deutlich, insbesondere um ein Vielfaches größer ist als der mittlere Porendurchmesser des porösen Abschnitts der Elektrode. Über den Strömungskanal kann dann Elektrolyt in die Poren der Elektrode gelangen. Alternativ oder zusätzlich kann aus den Poren der Elektrode austretender Elektrolyt in dem Strömungskanal gesammelt werden. Vor diesem Hintergrund bietet es sich auch besonders an, wenn der wenigstens eine Strömungskanal in dem porösen Abschnitt der Elektrode eingelassen ist. Alternativ oder zusätzlich kann es dementsprechend auch zweckmäßig sein, wenn der wenigstens eine Strömungskanal an eine Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung des wenigstens einen Fingerelements anschließt. Dann kann der zu verteilende Elektrolyt über den Strömungskanal in der Porosität der Elektrode verteilt werden und/oder es kann der zu sammelnde Elektrolyt über den Strömungskanal gesammelt werden.
Des Weiteren lässt sich eine gleichmäßig und vorhersehbare Strömung gewährleisten, wenn wenigstens ein an eine Einlassöffnung anschließender Strömungskanal der Elektrode und wenigstens ein an eine Auslassöffnung anschließender Strömungskanal der Elektrode über einen porösen Abschnitt der Elektrode zum Durchströmen von Elektrolyt voneinander beabstandet sind. Dann kann es nicht zu einer sogenannten Kurzschlussströmung kommen, sondern der Elektrolyt muss immer eine mindeste Wegstrecke durch die Poren des porösen Abschnitts der Elektrode strömen. Bei mehreren solcher Strömungskanäle bietet es sich aus diesem Grunde weiter an, wenn diese jeweils über einen porösen Abschnitt der Elektrode zum Durchströmen von Elektrolyt voneinander beabstandet sind.
Die Verteilung der Strömung des Elektrolyten auf den Zellinnenraum des Zellrahmens kann gleichmäßig erfolgen, wenn die an wenigstens eine Einlassöffnung anschließenden Strömungskanäle und die an wenigstens eine Auslassöffnung anschließenden Strömungskanäle in wenigstens einer Richtung jeweils abwechseln zueinander vorgesehen sind. Dabei ist diese Richtungvorzugsweise parallel zu einer durch den Zellrahmen definierten Ebene ausgerichtet. Alternativ oder zusätzlich kann eine gleichmäßige Strömung des Elektrolyten im Zellinnenraum dadurch unterstützt werden, dass der wenigstens eine Strömungskanal der Elektrode und das wenigstens eine Fingerelement des Zellrahmens wenigstens im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind. Dann kann der Elektrolyt in einer Richtung durch das Fingerelement in einer Richtung senkrecht dazu durch den wenigstens einen Strömungskanal der Elektrode strömen.
Die mit dem wenigstens einen Fingerelement verbundenen Vorteile können bedarfsweise noch umfangreicher genutzt werden, wenn eine Mehrzahl von wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Fingerelementen vorgesehen ist. So lässt sich auch bei größeren Zellinnenräumen eine gleichmäßige Durchströmung der Zellinnenräume mit dem Elektrolyten erreichen. Gleiches gilt alternativ oder zusätzlich für den Fall, dass eine Mehrzahl von wenigstens im Wesentlichen parallelen Strömungskanälen in der Elektrode vorgesehen sind.
Um den Zellinnenraum möglichst effizient für die Durchströmung mit dem Elektrolyten zu nutzen, bietet es sich an, wenn bei dem entsprechenden Zellrahmen eine ungerade Anzahl von Fingerelementen vorgesehen ist. Dies gilt ganz besonders für den Fall, dass die Fingerelemente in der Reihenfolge ihrer Anordnung abwechselnd einen Zuführkanal und einen Abführkanal wenigstens teilweise aufweisen. Dann kann der Elektrolyt über einen Zuführkanal in einem Fingerelement dem Zellinnenraum zugeführt und über einen Abführkanal eines benachbarten Fingerelements oder des umlaufenden Rands des Zellrahmens abgeführt werden. Außerdem kann so die Strömungsrichtung des Elektrolyten im Zellinnenraum genau vorgegeben werden, nämlich immer von einem Zuführkanal zu einem Abführkanal.
Die Fingerelemente müssen ebenso wie die Streben nicht zwingend geradlinig ausgebildet sein. Es kann sich beispielsweise anbieten, wenn die Fingerelemente oder die Streben eine Gitterstruktur ausbilden. So kann der Zellinnenraum in einzelne Quadranten unterteilt werden, die dann einzelne separate Zellkammern bilden können. Außerdem können die zusätzlichen Verbindungen zu einer zusätzlichen Aussteifung des Zellrahmens führen. Es ist auch möglich, dass dann einzelne Segmente der Fingerelemente oder der Streben zur stoffschlüssigen oder formschlüssigen Verbindung mit angrenzenden semipermeablen Membranen oder, insbesondere nicht porösen Abschnitten von, Elektroden genutzt werden können. In diesem Zusammenhang, aber nicht nur in diesem Zusammenhang kann es sich als zweckmäßig erweisen, wenn sich in einem Fingerelement oder in einer Strebe der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal nur in einer Richtung erstreckt. In quer zu dem wenigstens einen Zuführkanal und/oder wenigstens einen Abführkanal ausgerichteten Abschnitten des Fingerelements oder der Strebe wird dann kein Elektrolyt geführt, diese Abschnitte dienen dann anderen Zwecken als der Leitung des Elektrolyten.
Unabhängig von der Ausgestaltung der Fingerelemente oder der Streben, kann es sich jedoch anbieten, wenn das wenigstens eine Fingerelement stoffschlüssig mit der semipermeablen Membran und/oder mit, insbesondere dem nicht porösen Abschnitt, der Elektrode verbunden ist. Auf diese Weise wird die elektrochemische Zelle insgesamt stabiler und steifer. Der Zellrahmen und damit die elektrochemische Zelle insgesamt sind daher weniger anfällig gegenüber unerwünschten Deformationen oder Undichtigkeiten. Im Falle der Elektrode gilt dies in besonderem Maße, wenn das wenigstens eine Fingerelement mit der Bipolarplatte verbunden ist, die typischerweise selbst bereits eine hohe Verwindungssteifigkeit bzw. ein hohes Flächenträgheitsmomentbereitstellt. Im Falle einer konstruktiv einfachen stoffschlüssigen Verbindung bieten sich insbesondere Klebe- oder Schweißverbindungen an.
Der nicht poröse Abschnitt der Elektrode, der insbesondere als Bipolarplatte ausgebildet sein kann, und der poröse Abschnitt der Elektrode müssen nicht fest miteinander verbunden sein. Dadurch lässt sich die Fertigung der elektrochemischen Zelle vereinfachen und können Beschädigungen der Elektrode vermieden werden. Nichtsdestotrotz wird es regelmäßig bevorzugt sein, wenn der nicht poröse Abschnitt der Elektrode bzw. die Bipolarplatte und der poröse Abschnitt der Elektrode formschlüssig ineinandergreifen. Dadurch kann eine geringfügige Bewegung der genannten Elektrodenabschnitte ermöglicht und zugleich sichergestellt werden, dass diese Abschnitte der Elektrode, z.B. während Montage und Betrieb, zuverlässig in vorbestimmter Weise zueinander ausgerichtet bleiben.
Für eine einfache und doch effektive formschlüssige Verbindung des porösen Abschnitts der Elektrode mit dem nicht porösen Abschnitt der Elektrode bietet es sich an, wenn der nicht poröse Abschnitt der Elektrode Rippen aufweist. In den porösen Abschnitt der Elektrode können dann die Rippen des nicht porösen Abschnitts der Elektrode bzw. der Bipolarplatte formschlüssig eingreifen, um die unterschiedlichen Abschnitte der Elektrode gegeneinander zu positionieren. Wenn die Rippen des nicht porösen Abschnitts der Elektrode bzw. der Bipolarplatte wenigstens abschnittsweise formschlüssig in die Strömungskanäle des porösen Abschnitts der Elektrode eingreifen, versteift sich nicht nur die Struktur der Elektrode insgesamt, sondern wird auch eine gleichmäßige Strömung des Elektrolyten durch den Zellinnenraum begünstigt, da die Breite der Strömungskanäle durch den Formschluss konstant bleibt.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Zellstacks sind die Fingerelemente jeweils in beiden Habzellen der mehreren elektrochemischen Zellen vorgesehen. Auf diese Weise können die zuvor beschriebenen Vorteile umso mehr bzw. in beiden Halbzellen der elektrochemischen Zellen genutzt werden. Dabei ist es in besonderem Maße vorteilhaft, wenn die Fingerelemente wenigstens in aneinander angrenzenden Halbzellen jeweils wenigstens abschnittsweise in der Stapelrichtung der elektrochemischen Zellen wenigstens im Wesentlichen fluchtend zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Strömung des Elektrolyten in den Zelleninnenräumen der Halbzellen gleichmäßig erfolgen. Zudem lässt sich so ein Formschluss zwischen den Zellrahmen, den semipermeablen Membranen und bedarfsweise den Elektroden erreichen, der eine Ableitung von Kräften über die Fingerelemente an benachbarte Fingerelemente über verschiedene Halbzellen und bedarfsweise über verschiedene elektrochemische Zellen ermöglicht. Auf diese Weise kann ein stabiler und steifer Zellstack bereitgestellt werden, der weniger dazu neigt, in unerwünschter Weise zu verformen oder undicht zu werden, beispielsweise ohne dass die Anpressdrücke zwischen den Halbzellen und/oder den elektrochemischen Zellen übermäßig hoch sein müssen.
Der entsprechende Formschluss kann dabei insbesondere dann ohne eine übermäßige Komprimierung der Elektroden erreicht werden, die infolge einer solchen Komprimierung ungleichmäßig durchströmt werden, wenn die Höhe der jeweils fluchtenden Abschnitte der Fingerelemente wenigstens im Wesentlichen der Höhe des jeweiligen Zellinnenraums und/oder des jeweiligen Zellrahmens jeweils im Bereich der fluchtenden Abschnitte der Fingerelemente entspricht. Die Fingerelemente liegen dann bevorzugt an den semipermeablen Membranen und den Elektroden an, so dass die Fingerelemente Kräfte an angrenzende Fingerelemente übertragen können, ohne dass dazu eine nennenswerte Verformung der elektrochemischen Zellen bzw. des Zellstacks erforderlich ist. Dies gilt in besonderem Maße, wenn die jeweils fluchtenden Abschnitte der Fingerelemente auf einer Seite an einer semipermeablen Membran und auf der gegenüberliegenden Seite an einem nicht porösen Abschnitt der Elektrode, insbesondere der Bipolarplatte, anliegen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1A-B einen ersten erfindungsgemäßen Zellstack in Form einer Redox-Flow- Batterie in einem Längsschnitt,
Fig. 2A-D einen Zellrahmen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle des Zellstacks aus Fig. 1 zusammen mit einer zugehörigen Elektrode in dem Zellinnenraum des Zellrahmens in einer Draufsicht und in gegenüberliegenden Schnittansichten entlang einer Schnittebene B-B bzw. C-C senkrecht zur Ebene des Zellrahmens, Fig. 3 einen Teil der Elektrode aus Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht und
Fig. 4 ein Detail eines zweiten erfindungsgemäßen Zellstacks in einer vergrößerten Darstellung.
In den Fig. 1A und 1B ist ein Zellstack 1, also ein Zellstapel einer elektrochemischen Zelle 2, insbesondere in Form einer Redox-Flow-Batterie, in einem Längsschnitt dargestellt. Der Zellstack 1 umfasst drei Zellen 2, die jeweils zwei Halbzellen 3 mit korrespondierenden Elektrolyten aufweisen. Jede Halbzelle 3 weist einen Zellrahmen 4 auf, der einen Zellinnenraum 5 umfasst, durch den ein in einem Vorlagebehälter bevorrateter Elektrolyt hindurchgeleitet werden kann und in den wenigstens teilweise eine Elektrode 6 eingreift, die den Zellinnenraum 5 zudem zu einer Seite abschließt und verschließt. Die durch die Zellinnenräume 5 strömenden Elektrolyte unterscheiden einander. Der jeweilige Zellinnenraum 5 ist auf der von der Elektrode 6 abgewandten Seite angrenzend zum Zellrahmen 4 der zweiten Halbzelle 3 derselben elektrochemischen Zelle 2 durch eine zwischen den Zellrahmen 4 der beiden Halbzellen 3 vorgesehene, semipermeable Membran 7 verschlossen. Ein konvektives Übertreten der beiden unterschiedlichen Elektrolyte der beiden Halbzellen 3 in den Zellinnenraum 5 des Zellrahmens 4 der anderen Halbzelle 3 wird so verhindert. Über die semipermeable Membran 7 können jedoch Ionen per Diffusion von einem Elektrolyten auf den anderen Elektrolyten übergehen, wodurch ein Ladungstransport erfolgt. Durch Redox-Reaktionen der Redox-Paare der Elektrolyte an den Elektroden 6 der Halbzellen 3 einer Zelle 2 werden entweder Elektronen freigesetzt oder aufgenommen. Die freigesetzten Elektronen können über eine außerhalb der Redox- Flow-Batterie vorgesehene, bedarfsweise einen elektrischen Verbraucher aufweisende, elektrische Verbindung von einer Elektrode 6 zur anderen Elektrode 6 einer Zelle 2 fließen. An welcher Elektrode 6 welche Reaktionen ablaufen, hängt davon ab, ob die Redox-Flow-Batterie geladen oder entladen wird. Die Elektroden 6 liegen bei dem dargestellten Zellstack 1 flächig auf einer Außenseite 8 des Zellrahmens 4 auf. Die Elektrode 6 bildet also im Anlagebereich mit der Außenseite 8 des Zellrahmens 4 eine Rahmenfläche, die als Dichtfläche 9 wirkt. Zwischen den einander zugewandten Außenseiten 8 der Zellrahmen 4 einer Zelle 2 befindet sich ein Dichtmaterial 10, in dem die Membran 7 dichtend aufgenommen ist. Das Dichtmaterial 10 liegt flächig an den Außenseiten 8 der angrenzenden Zellrahmen 4 an und bildet so Rahmenflächen, die als Dichtflächen 9 wirken.
Längs zum Zellstack 1 erstrecken sich bei der dargestellten Redox-Flow-Batterie vier Kanäle. Zwei davon sind Versorgungsleitungen 11 zur Zuführung der beiden Elektrolyte zu den Zellinnenräumen 5 der Zellrahmen 4. Die zwei anderen Kanäle sind Entsorgungsleitungen 12 zum Abführen der Elektrolyte aus den Zellinnenräumen 5 der Zellrahmen 4. In der Fig. 1A ist jeweils eine Versorgungsleitung 11 und eine Entsorgungsleitung 12 dargestellt. Von der Versorgungsleitung 11 zweigt in jeweils einer Halbzelle 3 jeder Zelle 2 ein Zuführkanal 13 ab, über den der Elektrolyt dem entsprechenden Zellinnenraum 5 der Halbzelle 3 zugeführt werden kann. An gegenüberliegenden Abschnitten der entsprechenden Zellrahmen 4 ist ein Abführkanal 14 vorgesehen, über den der Elektrolyt aus den Zellinnenräumen 5 in die Entsorgungsleitung 12 abgeleitet werden kann. Die nicht in der Fig. 1A dargestellte Versorgungsleitung 11 und ebenfalls nicht dargestellte Entsorgungsleitung 12 ermöglichen dem zweiten Elektrolyt, über einen gleichartigen Zuführkanal 13 und einen Abführkanal 14 durch die jeweils anderen Zellinnenräume 5 der anderen Halbzellen 3 zu strömen.
In den Fig. 2A-B sind Draufsichten auf einen Zellrahmen 4 und Schnittdarstellungen entlang einer gemeinsamen Schnittebene aber in entgegengesetzten Blickrichtungen dargestellt. Dabei ist der besseren Verständlichkeit halber in der Fig. 2A der Zellrahmen ohne Elektrode und in der Fig. 2B derselbe Zellrahmen mit eingesetzter Elektrode dargestellt. In den Schnittansichten gemäß Fig. 2C-D sind die Elektroden ebenfalls eingesetzt dargestellt. In den Ecken des Zellrahmens 3 sind vier Öffnungen 15 vorgesehen, von denen jede Öffnung 15 ein Teil einer Versorgungsleitung 11 oder einer Entsorgungsleitung 12 bildet. Der Zuführkanal 13 und der Abführkanal 14 sind als Vertiefungen oder offene Kanäle in die dargestellte Außenseite 8 des um den Zellinnenraum 5 umlaufenden Rahmenmantels 16 des Zellrahmens 4 eingelassen. Der Zuführkanal 13 und der Abführkanal 14 werden beim Zusammenbau zu einem Zellstack 1 zu umfangsseitig geschlossenen Leitungen geschlossen. Dies erfolgt bei dem dargestellten Zellstack 1 beispielsweise und abschnittsweise durch die Dichtungsmaterialien 10 und die Elektroden 6. Die Elektroden 6 könnten von den Versorgungsleitungen 11 und den Entsorgungsleitungen 12 aber auch durch Dichtungsmaterialien 10 und/oder der elektrischen Isolation dieser Materialien räumlich getrennt sein. Alternativ oder zusätzlich könnte auch auf das Dichtmaterial 10 angrenzend an die semipermeable Membran 7, die Zuführkanäle 13 und die Abführkanäle 14 verzichtet werden.
Der Zuführkanal 13 und der Abführkanal 14 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verzweigt, so dass der Elektrolyt über den Zuführkanal 13 über den Zellinnenraum 5 verteilt zugeführt und über den Abführkanal 14 verteilt abgeführt werden kann. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Es könnten also auch separat von der Versorgungsleitung 11 abgehende Zuführkanäle 13 vorgesehen sein. Gleichfalls könnten auch separat mit einer Entsorgungsleitung 12 verbundene Abführkanäle 14 vorgesehen sein.
Der dargestellte und insoweit bevorzugte Zellrahmen 4 ist umlaufend zum Zellinnenraum 5 vorgesehen und weist zudem noch drei als Streben ausgebildete Fingerelemente 17 auf, die sich quer durch den Zellinnenraum 5 erstrecken und so den Zellinnenraum 5 in vier Zellkammern 18 unterteilen, die bei dem dargestellten Zellrahmen 4 gänzlich voneinander getrennt werden. Die Fingerelemente 17 verlaufen zudem parallel zur Ebene des Zellrahmens 4 und parallel zueinander wie auch parallel zur Längserstreckung des Zellrahmens 4. Des Weiteren sind die Fingerelemente 17 wenigstens im Wesentlichen gleich weit von dem benachbarten Fingerelement 17 bzw. dem seitlichen Rand 19 des Zellinnenraums 5 beabstandet. Auf diese Weise werden gleich große Zellkammern 18 bereitgestellt. Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Zellrahmen 4 weisen zwei Fingerelemente 17 jeweils einen Teil des Zuführkanals 13 auf, der auch im Bereich der Fingerelemente 17 als offener Kanal ausgebildet wird und durch die semipermeable Membran 7 oder die Elektrode 6 geschlossen wird. Das dritte und mittlere Fingerelement 17 weist dagegen einen Teil des Abführkanals 14 auf, der ebenfalls als offener Kanal ausgebildet ist, welcher beim Zusammenbau der Zelle 2 von der semipermeablen Membran 7 oder der Elektrode 6 verschlossen wird. Bei dem dargestellten Zellrahmen 4 sind auch in den seitlichen Rändern 19 noch Teile des Abführkanals 14 vorgesehen, in die von dem Zellinnenraum 5 aus Elektrolyt einströmen kann. In den Seiten des Zellrahmens 4 könnten aber auch Teile des Zuführkanals 13 vorgesehen sein. Dann würden sich aber bevorzugt nach innen jeweils Fingerelemente 17 mit einem Teil des Abführkanals 14 anschließen. So wird der Elektrolyt beispielsweise jeweils über eine Zellkammer 18 vom Zuführkanal 13 zum Abführkanal 14 geleitet.
Der Elektrolyt strömt dabei über Auslassöffnungen 20, die entlang der Längs erstreckung des Fingerelements 17 verteilt angeordnet sind, in den Zellinnenraum 5 ein. Aus dem Zellinnenraum 5 bzw. den Zellkammern 18 strömt der Elektrolyt über Einlassöffnungen 21 in den Abführkanal 14. Dabei sind die Einlassöffnungen 21 bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Zellrahmen 4 in dem Fingerelement 17 und in den seitlichen Rändern 19 des Zellrahmens 4 vorgesehen. Wenn in den seitlichen Rändern 19 des Zellrahmens 4 ein Zuführkanal 13 vorgesehen sein sollte, sind dort vorzugsweise auch Auslassöffnungen 20 vorgesehen, um den Elektrolyt von dort in den Zellinnenraum 5 strömen zu lassen.
Die Auslassöffnungen 20 und die Einlassöffnungen 21 sind in den Fig. 2C-D dargestellt. Dargestellt ist auch, dass sich die Fingerelemente 17 wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Zellrahmens 4 erstrecken. Ein Teil der Höhe des Zellrahmens 4 im Bereich der Fingerelemente 17 wird jedoch durch die Elektrode 6 bereitgestellt. Dieser Teil der Elektrode 6 stellt den nicht porösen Abschnitt 22 der Elektrode 6 in Form einer Bipolarplatte dar. Der poröse Abschnitt 23 der Elektrode 6 erstreckt sich in die Zellkammern 18 des Zellinnenraums 5 hinein und ist in elektrisch leitendem Kontakt zu dem nicht porösen Abschnitt 22 der Elektrode 6 vorgesehen. Der poröse Abschnitt 23 der Elektrode 6 weist Strömungskanäle 24 auf, die mit einem Ende jeweils an eine Auslassöffnung 20 des Zuführkanals 13 oder eine Einlassöffnung 21 des Abführkanals 14 anschließen. Die Strömungskanäle 24 verlaufen parallel zueinander und in einem wenigstens im Wesentlichen gleichen Abstand zueinander. Entlang der Strömungskanäle 24 sind in dem nicht porösen Abschnitt 22 der Elektrode 6 Rippen 26 vorgesehen, die formschlüssig in die Strömungskanäle 24 des porösen Abschnitts 23 der Elektrode 6 eingreifen.
Dieser Formschluss ist auch in der Fig. 3 dargestellt. Alternativ zu dem dargestellten Formschluss könnte aber auch ein anderweitiger Formschluss zwischen dem porösen Abschnitt 23 und dem nicht porösen Abschnitt 22 der Elektrode 6 bereitgestellt werden. Die Strömungskanäle 24 sind dabei mit einem freien Ende 25 vorgesehen, so dass die Strömungskanäle 24 keinen direkten Kontakt miteinander haben. Die Strömungskanäle 24 sind jeweils über poröse Bereiche der Elektrode 6 voneinander beabstandet. Zudem erstrecken sich die Strömungskanäle 24 über die überwiegende Breite der Zellkammer 18. Dabei ist die Länge der Strömungskanäle 24 etwa gleich lang. Hierbei macht es keinen Unterschied, ob die Strömungskanäle 24 an einen Zuführkanal 13 oder einen Abführkanal 14 anschließen. Bei der dargestellten Elektrode 6 sind die Strömungskanäle 24 aus dem porösen Material der Elektrode 6 herausgeschnitten. Bei dem porösen Material der Elektrode 6 handelt es sich um eine Art Filz aus Graphitfasern. Dagegen ist der nicht poröse Abschnitt 22 der Elektrode 6 in Form einer massiven Platte aus Graphit ausgebildet, aus der die Rippen 26 für den Formschluss mit dem porösen Abschnitt 23 der Elektrode 6 hervorstehen. Dabei ist die Dicke des porösen Abschnitts 23 der Elektrode 6 deutlich größer als die Höhe der Rippen 26. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, wenn die Dicke des porösen Abschnitts 23 der Elektrode 6 wenigstens doppelt so groß ist wie die Höhe der Rippen 26 des nicht porösen Abschnitts 22 der Elektrode 6. Vorliegend ist die Dicke des porösen Abschnitts 23 der Elektrode 6 wenigstens dreimal so groß wie die Höhe der Rippen 26. In der Fig. 4 ist ein Detail eines Schnitts durch einen Zellstack 1 dargestellt, das sich über mehrere Halbzellen 3 erstreckt. Jede der Halbzellen 3 umfasst dabei einen Zellrahmen 4, wobei zwischen jeweils zwei Zellrahmen 4 eine semipermeable Membran 7 oder ein nicht poröser Abschnitt 22 der Elektrode 6 vorgesehen ist. Hier ist die semipermeable Membran 7 und der nicht poröse Abschnitt 22 der Elektrode 6 ohne Dichtmittel mit den zugehörigen Zellrahmen 4 verbunden. Die Verbindung ist dabei stoffschlüssig und im Wege des Verschweißens der aus einem thermoplastisch gebildeten Zellrahmen 4 und den ebenfalls wenigstens teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellten semipermeablen Membranen 7 bzw. Elektroden 6 gefügt worden. Der Zellstack 1 könnte aber grundsächlich auch auf eine andere Art und Weise ausgestaltet sein.
Zwischen einer semipermeablen Membran 7 und einem nicht porösen Abschnitt 22 der Elektrode 6 ist jeweils ein Fingerelement 17 vorgesehen, in dem ein Zuführkanal 13 oder Abführkanal 14 in Form eines jeweils durch die semipermeable Membran 7 verschlossenen offenen Kanals vorgesehen ist. Bei dem dargestellten Zellstack 1 sind die Fingerelemente 17 über stoffschlüssige Verbindungen 27 mit den nicht porösen Abschnitten 22 der Elektroden 6 verbunden, insbesondere verschweißt. Des Weiteren erstrecken sich die Fingerelemente 17 von dem porösen Abschnitt 23 der Elektrode 6 bis zur angrenzenden semipermeablen Membran 7, also über die gesamte Höhe des Zellinnenraums 5, so dass zwei angrenzende Zellkammern 18 voneinander abgetrennt werden. Darüber hinaus sind die korrespondierenden Fingerelemente 17 der aufeinanderfolgenden Halbzellen 3 in der Stapelrichtung der Halbzellen 3 jeweils fluchtend zueinander angeordnet. Auf diese Weise kann eine formschlüssige, indirekte Kraftübertragung von einem Fingerelement 17 an das nächste Fingerelement 17 erfolgen, wobei die Kräfte zwischen jeweils zwei Fingerelementen 17 über eine semipermeable Membran 7 oder einen nicht porösen Abschnitt 22 einer Elektrode 6 übertragen werden können. Die entsprechenden Kräfte führen mithin nicht zu einem Zusammendrücken der porösen Abschnitte 23 der Elektroden 6 in dem Zellinnenraum 5 bzw. den Zellkammern 18. Bezugszeichenliste
1 Zellstack
2 Zelle
3 Halbzelle
4 Zellrahmen
5 Zellinnenraum
6 Elektrode
7 semipermeable Membran
8 Außenseite
9 Dichtfläche
10 Dichtmaterial
11 Versorgungsleitung
12 Entsorgungsleitung
13 Zuführkanal
14 Abführkanal
15 Öffnungen
16 Rahmenmantel
17 Fingerelement
18 Zellkammer
19 seitlicher Rand
20 Auslassöffnung
21 Einlassöffnung
22 nicht poröser Abschnitt
23 poröser Abschnitt
24 Strömungskanal
25 freies Ende
26 Rippe
27 Verbindung

Claims

24
Patentansprüche Elektrochemische Zelle (2), insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen (4) und wenigstens einer Elektrode (6), wobei der Zellrahmen (4) einen Zellinnenraum (5) umfangsseitig umschließt, wobei der Zellrahmen (4) wenigstens einen Zuführkanal (13) zum Zuführen von Elektrolyt in den Zellinnenraum (5) und wenigstens einen Abführkanal (14) zum Abführen von Elektrolyt aus dem Zellinnenraum (5) aufweist, wobei der wenigstens eine Zellrahmen (4) wenigstens ein in den Zellinnenraum (5) ragendes Fingerelement (17) aufweist und wobei die Elektrode (6) wenigstens bereichsweise in dem Zellinnenraum (5) und auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Fingerelements (17) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der wenigstens eine Zuführkanal (13) und/oder der wenigstens eine Abführkanal (14) wenigstens abschnittsweise in dem Fingerelement (17) vorgesehen ist und dass das wenigstens eine Fingerelement (17) wenigstens eine Auslassöffnung (20) in den Zellinnenraum (5) für den zuzuführen Elektrolyten und/oder wenigstens eine Einlassöffnung (21) aus dem Zellinnenraum (5) für den abzuführenden Elektrolyten aufweist. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Elektrode (6) im Zellinnenraum (5) eine Porosität zur Durchströmung des Elektrolyt wenigstens teilweise von dem wenigstens einen Zuführkanal (13) zu dem wenigstens einen Abführkanal (14) aufweist. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s ein mit einem porösen Abschnitt (23) der Elektrode (6) elektrisch leitend verbundener, nicht poröser Abschnitt (22) der Elektrode (6), insbesondere in Form einer Bipolarplatte, den Zellinnenraum (5) an einer einer semipermeablen Membran 7 gegenüberliegenden Seite verschließt. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das wenigstens eine Fingerelement (17) als durchgehende, den Zellinnenraum überbrückende und zwei Zellkammern (18) des Zellinnenraums (5) voneinander trennende Strebe ausgebildet ist. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Höhe des wenigstens einen Fingerelements (17) wenigstens abschnittsweise wenigstens im Wesentlichen der Höhe des Zellinnenraums (5) und/oder des Zellrahmens (4) im entsprechenden Bereich des Fingerelements (17) entspricht und dass, vorzugsweise, das Fingerelement (17) auf einer Seite an einer semipermeablen Membran 7 und auf der gegenüberliegenden Seite an einem nicht porösen Abschnitt (22) der Elektrode (6) anliegt. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s in, insbesondere dem porösen Abschnitt (23), der Elektrode (6) wenigstens ein Strömungskanal (24) eingelassen ist und dass, vorzugsweise, der wenigstens eine Strömungskanal (24) an eine Einlassöffnung (21) und/oder Auslassöffnung (20) des wenigstens einen Fingerelements (17) anschließt. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s wenigstens ein an eine Einlassöffnung (21) anschließender Strömungskanal (24) der Elektrode (6) und wenigstens ein an eine Auslassöffnung (20) anschließender Strömungskanal (24) der Elektrode (6) , insbesondere jeweils, über einen porösen Abschnitt (23) der Elektrode (6) zum Durchströmen von Elektrolyt voneinander beabstandet sind.
8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s in wenigstens einer Richtung an wenigstens eine Einlassöffnung (21) anschließende Strömungskanäle (24) und an wenigstens eine Auslassöffnung (20) anschließende Strömungskanäle (24) jeweils abwechselnd zueinander vorgesehen sind und/oder dass der wenigstens eine Strömungskanal (24) der Elektrode (6) und das wenigstens eine Fingerelement (17) des Zellrahmens (4) wenigstens im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind.
9. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Mehrzahl von wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Fingerelementen (17) vorgesehen ist und/oder dass eine Mehrzahl von wenigstens im Wesentlichen parallelen Strömungskanälen (24) in der Elektrode (6) vorgesehen ist.
10. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine ungerade Anzahl von Fingerelementen (17) vorgesehen ist und dass, vorzugsweise, die Fingerelemente in der Reihenfolge ihrer Anordnung abwechselnd einen Zuführkanal (13) und einen Abführkanal (14) wenigstens teilweise aufweisen.
11. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das wenigstens eine Fingerelement (17) eine Gitterstruktur bildet. 27 Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das wenigstens eine Fingerelement (17) stoffschlüssig mit der semipermeablen Membran 7 und/oder mit dem nicht porösen Abschnitt (22) der Elektrode (6), insbesondere der Bipolarpolatte, verbunden ist und dass, vorzugsweise, die stoffschlüssige Verbindung (27) mittels Kleben oder Schweißen gefügt ist. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der nicht poröse Abschnitt (22) der Elektrode (6), insbesondere die Bipolarplatte, und der poröse Abschnitt (23) der Elektrode (6) nicht fest miteinander verbunden sind und dass, vorzugsweise, der nicht poröse Abschnitt
(22) der Elektrode (6), insbesondere die Bipolarplatte, und der poröse Abschnitt
(23) der Elektrode (6) formschlüssig ineinandergreifen. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s in den porösen Abschnitt (23) der Elektrode (6) Rippen (26) des nicht porösen Abschnitts (22) der Elektrode (6) , insbesondere der Bipolarplatte, formschlüssig eingreifen und dass, vorzugsweise, die Rippen (26) des nicht porösen Abschnitts (22) der Elektrode (6), insbesondere der Bipolarplatte, wenigstens abschnittsweise formschlüssig in die Strömungskanäle (24) des porösen Abschnitts (23) der Elektrode (6) eingreifen. Zellstack (1), insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, umfassend eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 14. Zellstack nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Fingerelemente (17) jeweils in beiden Habzellen der mehreren elektrochemischen Zellen vorgesehen sind und/oder dass die Fingerelemente 28
(17) wenigstens aneinander angrenzender Halbzellen (3) jeweils wenigstens abschnittsweise in der Stapelrichtung der elektrochemischen Zellen wenigstens im Wesentlichen fluchtend zueinander angeordnet sind. 17. Zellstack nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Höhe der jeweils fluchtenden Abschnitte der Fingerelemente (17) wenigstens im Wesentlichen der Höhe des jeweiligen Zellinnenraums (5) und/oder des jeweiligen Zellrahmens (4) jeweils im Bereich der fluchtenden Abschnitte der Fingerelemente (17) entspricht und dass, vorzugsweise, die jeweils fluchtenden
Abschnitte der Fingerelemente (17) auf einer Seite an einer semipermeablen Membran 7 und auf der gegenüberliegenden Seite an einem nicht porösen Abschnitt (22) der Elektrode (6), insbesondere der Bipolarplatte, anliegen.
PCT/EP2021/074972 2020-09-23 2021-09-10 Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack WO2022063610A1 (de)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023518374A JP2023542948A (ja) 2020-09-23 2021-09-10 特にレドックスフロー電池の、電気化学セルおよび対応するセルスタック
CA3196052A CA3196052A1 (en) 2020-09-23 2021-09-10 Electrochemical cell, in particular of a redox flow battery, and corresponding cell stack
IL301508A IL301508A (en) 2020-09-23 2021-09-10 An electrochemical cell, in particular of a redox current battery and a suitable cell stack
AU2021348962A AU2021348962A1 (en) 2020-09-23 2021-09-10 Electrochemical cell, more particularly of a redox flow battery, and corresponding cell stack
US18/027,779 US20240030475A1 (en) 2020-09-23 2021-09-10 Electrochemical Cell, More Particularly of a Redox Flow Battery, and Corresponding Cell Stack
KR1020237012886A KR20230073256A (ko) 2020-09-23 2021-09-10 특히 레독스 흐름 배터리의 전기화학 셀 및 대응하는 셀 스택
EP21777275.5A EP4218077A1 (de) 2020-09-23 2021-09-10 Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020124801.6 2020-09-23
DE102020124801.6A DE102020124801A1 (de) 2020-09-23 2020-09-23 Elektrochemische Zelle, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, sowie entsprechender Zellstack

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022063610A1 true WO2022063610A1 (de) 2022-03-31

Family

ID=77910792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/074972 WO2022063610A1 (de) 2020-09-23 2021-09-10 Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20240030475A1 (de)
EP (1) EP4218077A1 (de)
JP (1) JP2023542948A (de)
KR (1) KR20230073256A (de)
AU (1) AU2021348962A1 (de)
CA (1) CA3196052A1 (de)
DE (1) DE102020124801A1 (de)
IL (1) IL301508A (de)
WO (1) WO2022063610A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022268264A1 (de) * 2021-06-22 2022-12-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Strukturintegrierte elektrochemische zelle und daraus aufgebauter strukturintegrierter stack

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022004497B3 (de) * 2022-12-01 2024-01-11 Mercedes-Benz Group AG Batterieeinzelzelle, Befüllvorrichtung und Verfahren zum Befüllen der Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt
DE102023108336B3 (de) 2023-03-31 2024-05-29 Angela Ludwig Redoxfluss-Akkumulator und Herstellungsverfahren dafür

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0051766A1 (de) 1980-11-07 1982-05-19 Siemens Aktiengesellschaft Haltevorrichtung für elektrische Geräte, insbesondere für Einbruchdetektoren
DE69905177T2 (de) * 1999-07-01 2003-06-05 Squirrel Holdings Ltd Durch membran getrennter bipolarer mehrzelliger elektrochemischer reaktor
US20040170893A1 (en) 2001-06-12 2004-09-02 Hiroyuki Nakaishi Cell frame for redox flow cell and redox flow cell
WO2014083387A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Hydraredox Technologies Inc. Back plate-electrode-membrane assembly for a redox, flow energy storage electrochemical cell

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150125768A1 (en) 2013-11-07 2015-05-07 Enervault Corporation Cell and Cell Block Configurations for Redox Flow Battery Systems
PT3378116T (pt) 2015-11-18 2021-09-22 Invinity Energy Systems Canada Corp Montagem de elétrodo e bateria de fluxo com melhor distribuição de eletrólito

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0051766A1 (de) 1980-11-07 1982-05-19 Siemens Aktiengesellschaft Haltevorrichtung für elektrische Geräte, insbesondere für Einbruchdetektoren
DE69905177T2 (de) * 1999-07-01 2003-06-05 Squirrel Holdings Ltd Durch membran getrennter bipolarer mehrzelliger elektrochemischer reaktor
US20040170893A1 (en) 2001-06-12 2004-09-02 Hiroyuki Nakaishi Cell frame for redox flow cell and redox flow cell
US20080081247A1 (en) * 2001-06-12 2008-04-03 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Cell frame for redox flow battery, and redox flow battery
WO2014083387A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Hydraredox Technologies Inc. Back plate-electrode-membrane assembly for a redox, flow energy storage electrochemical cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022268264A1 (de) * 2021-06-22 2022-12-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Strukturintegrierte elektrochemische zelle und daraus aufgebauter strukturintegrierter stack

Also Published As

Publication number Publication date
US20240030475A1 (en) 2024-01-25
JP2023542948A (ja) 2023-10-12
KR20230073256A (ko) 2023-05-25
EP4218077A1 (de) 2023-08-02
CA3196052A1 (en) 2022-03-31
IL301508A (en) 2023-05-01
DE102020124801A1 (de) 2022-03-24
AU2021348962A1 (en) 2023-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4218077A1 (de) Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack
EP2795710B1 (de) Redox-flow-batterie mit aussenliegender versorgungsleitung und/oder entsorgungsleitung
DE102013107516A1 (de) Zelle und Zellstack einer Redox-Flow-Batterie
DE3543574A1 (de) Metall-halogen-sammlerbatterie aus aneinandergeschichteten elementen mit elektrolytumwaelzung
EP3440729B1 (de) Zelle und zellstack einer redox-flow-batterie und verfahren zur herstellung dieses zellstacks
DE19539959C2 (de) Brennstoffzellenanordnung
EP3476000B1 (de) Vorrichtung zur energieumwandlung, insbesondere brennstoffzelle oder elektrolyseur
EP3696298B1 (de) Elektrolyseblock und zellrahmen hierfür
DE102015224871A1 (de) Energiespeichervorrichtung
WO2015135773A1 (de) Elektrochemische zelle und verbund aus elektrochemischen zellen
DE102018132669A1 (de) Gewickelte Redoxflowbatterie
DE19708209C2 (de) Wiederaufladbare Batterieanordnung und deren Verwendung
DE102020117367B4 (de) Zellrahmen, elektrochemische Zelle, Zellstack und Verfahren zum Betrieb
AT513558B1 (de) Wiederaufladbare Batteriezelle und Batteriemodul
EP0438044B1 (de) Galvanisches Element, insbesondere wiederaufladbare Zink/Brom-Batterie
EP2648257A1 (de) Durchflussbatterie, elektrochemischer Energiewandler für eine Durchflussbatterie, Zellrahmen und Bipolarplatte sowie Kollektorplatte
WO2024083406A2 (de) Zellanordnung für eine redox-flow batterie und redox-flow batterie
EP4360148A1 (de) Strukturintegrierte elektrochemische zelle und daraus aufgebauter strukturintegrierter stack
WO2023174602A1 (de) Flussrahmen für eine elektrochemische zelle
WO2023174603A1 (de) Flussrahmen für eine elektrochemische zelle
WO2024115220A1 (de) Redox-flow-batterie mit mindestens einer zelle
DE3833426A1 (de) Elektrochemische zelle
WO2022128738A1 (de) Zellelement für eine redox-flow-batterie sowie membranschicht
DE102021110599A1 (de) Akkumulator mit bipolarem aufbau
DE102020119528A1 (de) Energiespeichervorrichtung, insbesondere Redox-Flow-Batterie

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21777275

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3196052

Country of ref document: CA

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023518374

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18027779

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20237012886

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021777275

Country of ref document: EP

Effective date: 20230424

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021348962

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20210910

Kind code of ref document: A