WO2023165650A1

WO2023165650A1 - Redox-flow-batterie

Info

Publication number: WO2023165650A1
Application number: PCT/DE2023/100149
Authority: WO
Inventors: Martin Vornehm; Maximilian Bossecker; Stefan Lenßen; Mario Degler; Balamurugan MANOHARAN; Josef Hauck
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2023-02-27
Publication date: 2023-09-07
Also published as: DE102022105113A1

Abstract

Eine Redox-Flow-Batterie (1) umfasst eine Anzahl an Redox-Flow-Zellen (2), welche in Stapelform, in zueinander parallelen Ebenen liegend, angeordnet sind, wobei ein Kanalsystem zur Ver- und Entsorgung der Redox-Flow-Zellen (2) mit Elektrolytlösungen vorgesehen ist. Das Kanalsystem umfasst mindestens einen Kanal-Längsteiler (5, 15), insbesondere in Form eines Rohreinsatzes, welcher mehrere zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme auf die einzelnen Redox-Flow-Zellen (2) aufteilt und eine langgestreckte, insbesondere zylindrische Grundform mit einer Haupterstreckungsrichtung normal zu den Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen (2) liegen, hat.

Description

Redox-Flow-Batterie

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie, welche eine Anzahl an Redox-Flow- Zellen umfasst, die in Stapelform angeordnet sind.

Redox-Flow-Batterien sind Batterien aus elektrochemischen Zellen, die mit durchströmenden Elektrolytlösungen versorgt werden. Die Elektrolytlösungen werden typischerweise in Tanks bereitgestellt. Redox-Flow-Batterien haben damit im Vergleich zu Akkumulatoren den Vorteil, dass die Kapazität von der Leistung entkoppelt ist. Eine Besonderheit von Redox-Flow-Batterien liegt darin, dass Elektrolytlösung durch eine Mehrzahl an Zellen fließt, welche auf unterschiedlichem elektrischem Potential betrieben werden. Hierdurch kann es zu nicht gewünschten Shunt-Strömen kommen. Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Reduzierung solcher Shunt-Ströme beschrieben.

Im Fall einer in der JP 2019-192466 A beschriebenen Redox-Flow-Batterie sollen Shunt-Ströme reduziert werden, indem gesonderte Tanks für die Versorgung einzelner Module der Redox-Flow-Batterie vorgesehen sind. Jedem Modul ist eine gesonderte Pumpe zum Fördern von Elektrolytlösung zugeordnet.

Die US 9,653,746 B2, die sich ebenfalls mit dem Thema Shunt-Ströme befasst, schlägt zu deren Reduzierung speziell geformte Strömungskanäle für einströmende und ausströmende Elektrolyte auf der Anodenseite oder Kathodenseite einer Elektrodenplatte einer Redox-Flow-Batterie vor.

Die WO 2007/131250 A1 offenbart ein elektrochemisches Strömungsmodul mit einer Einrichtung zum Unterdrücken eines elektrischen Nebenschlussstromes, das heißt Shunt-Stromes. Diese Einrichtung umfasst eine durchströmbare Vorrichtung, in der sich eine Schicht einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit mit einer unterschiedlichen Dichte als eine Elektrolytflüssigkeit befindet. Auf diese Weise soll der elektrische Widerstand im Elektrolytflüssigkeitskreislauf erhöht werden. Die durchströmbare Vorrichtung kann insbesondere als U-förmiges Rohr ähnlich einem Syphon ausgebildet sein.

Eine in der JP 61-269866 A beschriebene Redox-Flow-Batterie umfasst eine Mehrzahl an Rohrleitungen, wobei ein in einer Rohrleitung angeordnetes Flügelrad, welches aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, einen Beitrag zur Reduzierung nicht gewünschter elektrischer Ströme leisten soll.

Die JP 2003 100337 A beschreibt eine Redox-Flow-Zelle, welche intermittierend durchströmt wird. Zur Zuführung und Abführung von Elektrolytlösung sind geeignete Verteilerkanäle vorgesehen.

Die DE 35 32 696 C1 beschreibt eine Möglichkeit des gemeinsamen Umpumpens von Elektrolyt aus einem gemeinsamen Vorratsbehälter in elektrisch nicht miteinander verbundene Akkumulatorzellen. Hierbei wird der Elektrolyt portionsweise in die einzelnen Zellen geleitet, wobei zwischen den Elektrolytportionen eine nichtleitende Absperrung vorgenommen wird. Die Absperrung erfolgt in Form einer Schichtung von Elektrolyt und einer nichtleitenden Flüssigkeit in Zuführungs- beziehungsweise Rückführungsleitungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, fertigungs- und verfahrenstechnisch einfach umsetzbare Möglichkeiten der Reduktion von Shunt-Strömen in Redox-Flow-Batterien anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Redox-Flow-Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Redox-Flow-Batterie umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Anzahl an Redox-Flow-Zellen, welche in Stapelform, in zueinander parallelen Ebenen liegend, angeordnet sind, wobei ein Kanalsystem zur Ver- und Entsorgung der Redox-Flow-Zellen mit Elektrolytlösungen vorgesehen ist. Das Kanalsystem der anmeldungsgemäßen Redox-Flow-Batterie umfasst mindestens einen Kanal-Längsteiler, welcher mehrere zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme auf einzelne oder Gruppen von Redox-Flow-Zellen aufteilt und eine langgestreckte, zylindrische oder prismenförmige Grundform mit einer Haupterstreckungsrichtung normal zu den Ebenen, in welchen die einen Zellenstapel, das heißt Stack, bildenden Redox-Flow-Zellen liegen, hat.

In verschiedenen möglichen Ausgestaltungen ist der Kanal-Längsteiler zur Aufteilung eines Elektrolytstroms auf mindestens zwei und maximal zwölf zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme ausgebildet.

Gemäß einer ersten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Kanal-Längsteiler um einen Kanaleinsatz, welcher in eine Anordnung mehrerer Zellenrahmen der Redox-Flow-Zellen eingesteckt ist.

Insbesondere umfasst die Redox-Flow-Batterie eine Mehrzahl solcher Kanaleinsätze. Mit Hilfe des mindestens einen Kanaleinsatzes kann Elektrolytlösung strömungsgünstig den einzelnen Redox-Flow-Zellen zugeführt beziehungsweise von diesen abgeführt werden, wobei durch die Parallelschaltung von Teilströmen innerhalb des Kanaleinsatzes zugleich die Länge elektrischer Pfade maximiert ist, was maßgeblich zu einer Reduzierung von Shunt-Strömen beiträgt. Allgemein wird mit Hilfe des Kanaleinsatzes im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen der elektrische Hauptrohr-Widerstand, welcher zwischen den Abzweigen in die einzelnen Zellen der Redox-Flow-Batterie gegeben ist, gravierend erhöht, ohne signifikante Nachteile hinsichtlich Fertigungsaufwand, Bauraum und hydraulischer Funktion in Kauf nehmen zu müssen. In der Summe bleibt mit dem Kanaleinsatz nahezu der gesamte hydraulische Querschnitt eines ungeteilten Kanals erhalten.

Beispielsweise weist der Kanaleinsatz eine mehrgängige Schraubengeometrie auf, insbesondere in Form eines vier-, sechs-, acht- oder zwölfgängigen Gewindes. Einzelne Kanäle sind damit als über die Länge des ursprünglichen Hauptkanals verdrillte Winkelsegmente ausgebildet. Hierbei versorgen alle Winkelsegmente zueinander in Längsrichtung des Zellenstapels versetzte Zellen oder Gruppen von Zellen mit Zu- oder Abläufen für Elektrolyte.

Die Überleitung von Elektrolytlösung zwischen dem Hauptkanal, dessen Strömungsquerschnitt in mehrere zueinander parallele Teilkanäle aufgeteilt ist, und den einzelnen Redox-Flow-Zellen kann auf verschiedene Arten an definierten Stellen von Zellenrahmen der einzelnen Zellen erfolgen. Die Aufteilung des Elektrolytstroms ist hierbei mit komplex geformten oder auch geometrisch sehr einfachen Kanaleinsätzen möglich. Typischerweise befinden sich in den Zellenrahmen Öffnungen mit beispielsweise kreisrundem oder quadratischem Querschnitt, wobei der Hauptkanal durch miteinander fluchtende derartige Öffnungen zumindest abschnittsweise gebildet ist. Die an der Mantelfläche des Hauptkanals befindlichen Überleitungsöffnungen zu den einzelnen Zellen können von Zelle zu Zelle in übereinstimmender oder unterschiedlicher Winkellage um die Mittelachse des Hauptkanals angeordnet sein. Werden beispielsweise die Mittelpunkte sämtlicher Überleitungsöffnungen durch eine Schraubenlinie miteinander verbunden, so kann diese Linie näherungsweise eine Schraubenlinie beschreiben.

Möglich sind auch simplere Varianten, in welchen sich Überleitungsöffnungen beispielsweise lediglich an zwei verschiedenen Positionen, beispielsweise in 90 Grad Position beziehungsweise in 180 Grad Position, befinden. Hierbei ist die Null Grad Richtung zum Beispiel als die Längsrichtung eines länglichen, im Wesentlichen quadratischen Zellenrahmens definiert. Im Fall der 90 Grad Position erfolgt die Überleitung somit in Querrichtung des Zellenrahmens. Durch die Anordnung der Überleitungsöffnungen in gegeneinander um die Längsachse des Hauptkanals verdrehten Positionen kann der Kanaleinsatz geometrisch besonders einfach gestaltet werden. Insbesondere kann der Kanaleinsatz gerade, nicht verdrillte Wandungen aufweisen und somit als Spritzgussteil oder im 3D-Druck rationell hergestellt werden. Ebenso sind Kanaleinsätze realisierbar, durch welche mehrere zur Längsachse des Kanaleinsatzes, das heißt zu einer Flächennormalen der Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen liegen, schräg gestellte, zueinander parallele Teilkanäle gebildet sind. Auch in diesem Fall kommt eine Herstellung aus Kunststoff mittels 3D-Druck in Betracht, wobei die Grundform des Kanaleinsatzes nicht notwendigerweise zylindrisch ist. Hat der Kanaleinsatz die Form eines langgestreckten Prismas, so sind damit Vorteile hinsichtlich eines Einbaus in definierter Winkellage verbunden.

Eine weitere Alternative zu schraubenförmig verdrillten Kanaleinsätzen stellen Kanaleinsätze dar, die mehrere zur genannten Flächennormalen der Ebenen, in denen die -Zellen der Redox-Flow-Batterie liegen, parallele, das heißt in Axialrichtung verlaufende Abschnitte sowie jeweils hieran anschließende zu einer der Redox-Flow- Zellen hin offene, das heißt an einer der Überleitungsöffnungen mündende Tangentialabschnitte aufweisen. Eine tangentiale Strömung bedeutet in diesem Fall, dass der Elektrolyt in einer zum Zellenrahmen parallelen Ebene strömt, wobei die Strömungsrichtung mit der Längsachse des Hauptkanals und damit auch des Kanaleinsatzes einen rechten Winkel einschließt.

Gemäß einer zweiten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen ist der Kanal-Längsteiler durch aufeinander gestapelte Zellenrahmen der Redox-Flow-Zellen des Stacks gebildet, wobei jeweils nur eine Teilmenge von durch den Kanal-Längsteiler voneinander getrennten Kanälen an jede Redox-Flow-Zelle angeschlossen ist.

In hinsichtlich einer flexiblen Fertigung besonders vorteilhaften Gestaltung sind die Zellenrahmen derart ausgebildet, dass sie jeweils wahlweise in einer von mehreren möglichen Orientierungen, insbesondere in um 180° gegeneinander verdrehten Orientierungen, im Redox-Flow-Zellen-Stapel montierbar sind, wobei in den verschiedenen Orientierungen unterschiedliche, den Zellenstapel durchdringende Kanäle an die betreffende, den Zellenrahmen aufweisende Redox-Flow-Zelle angeschlossen sind. Unabhängig von der genauen Geometrie des Kanal-Längsteilers oder einer Anzahl an Einsätzen, die die entsprechende Funktion, das heißt Funktion eines Kanaleinsatzes, übernehmen, können Gestaltungen von Zellenrahmen von Vorteil sein, bei welchen nicht nur vier Öffnungen vorhanden sind, die je nach Bedarf für Anolyt-Zulauf, Anolyt- Ablauf, Katholyt-Zulauf und Katholyt-Ablauf nutzbar sind. Vielmehr können derartige Öffnungen, die Überleitungen vom Hauptkanal in die Zellen erlauben, mehrfach, insbesondere doppelt oder dreifach, vorhanden sein.

Kontaktiert werden von den zahlreichen Öffnungen im Zellenrahmen auf einer Elektrodenseite lediglich zwei Stück, nämlich eine Öffnung für den Elektrolyt-Zulauf und eine Öffnung für den Elektrolyt-Ablauf, während die anderen Öffnungen keine hydraulische Funktion auf dieser Elektrodenseite haben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass damit ein Gleichteilekonzept realisierbar ist, das den Fertigungsaufwand signifikant reduziert. Dies gilt insbesondere in Fällen in denen Zellenrahmen punkt- oder rotationssymmetrisch gestaltet sind. Die Auswahl der geeigneten Öffnungen jeder Zelle kann beispielsweise erfolgen, indem der gesamte Kanaleinsatz oder eine einzelne Einsatzkomponente in die passende Winkelstellung gebracht wird. Durch die nicht benötigten, das heißt toten Überleitungen in den Zellenrahmen kann die Aktivfläche der Redox-Flow-Zellen etwas verkleinert sein, was in Kauf zu nehmen ist.

Sofern es sich bei dem Kanal-Längsteiler entsprechend der ersten Gruppe an Ausgestaltungen um einen im Wesentlichen zylindrischen, bolzen- oder rohrförmigen Kanaleinsatz handelt, kann sich gemäß einer möglichen Weiterbildung an einen zylindrischen, die zueinander parallelen, optional verdrillten Teilkanäle bildenden Hauptkörper des Kanaleinsatzes eine Abschlussplatte in der Art eines Deckels oder Schraubenkopfes mit im Vergleich zum Hauptkörper vergrößertem Durchmesser anschließen. In dieser Abschlussplatte kann mindestens eine zur Aufnahme einer Dichtung vorgesehene Nut ausgebildet sein.

Bei dem Kanaleinsatz der Redox-Flow-Batterie handelt es sich insbesondere um ein nichtleitendes, gegenüber dem Elektrolyten inertes Bauteil aus Kunststoff, Keramik oder getränkten Fasermatten. Entsprechende Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen sind auch für die Zellenrahmen, welche zugleich als Kanal- Längsteiler fungieren können, verwendbar.

Die Wandungen, welche die einzelnen durch den Kanal-Längsteiler, insbesondere Kanaleinsatz, gebildeten Teilkanäle voneinander trennen, weisen beispielsweise eine Wandstärke im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm auf. Eine Grundelastizität des Kunststoffs sorgt dafür, dass sich der Kanaleinsatz von innen ohne Beschädigung an die Kanalwand anlegen kann. Optional ist der im Querschnitt sternförmige, insbesondere vier- bis zwölfstrahlige Hauptkörper des Kanaleinsatzes von einem Außenring mit Löchern oder sonstigen Öffnungen umgeben. Das Material des Außenrings kann insbesondere im Hinblick auf die Dichtfunktion, die dieser zu übernehmen hat, ausgewählt werden. In analoger Weise können dichtende Leisten, die die Abschlüsse der einzelnen Flügel des mehrstrahligen Kanaleinsatzes bilden, aus einem anderen Material als die restlichen Abschnitte der Flügel gebildet sein. Ebenso kann der Werkstoff an den stirnseitigen Enden des Kanaleinsatzes von dem Material abweichen, aus dem der Mittelbereich des Kanaleinsatzes gefertigt ist.

In mehrteiliger Ausgestaltung des Kanaleinsatzes können einzelne Teile dieses Einsatzes in dessen Axialrichtung hintereinander angeordnet und/oder Teile ineinander geschachtelt sein. Eine Ineinanderschachtelung kann insbesondere bedeuten, dass ein Innenteil der Kanaleinsatzes in einer rohrförmigen, an den passenden Stellen durchbrochenen Hülle drehbar ist, womit eine Verstellmöglichkeit gegeben ist. Durch die Einstellung der passenden Winkelstellung des Innenteils können gleichartige Kanaleinsätze an unterschiedlichen Stellen des Zellenstapels verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, das Innenteil im Zuge der Fertigung des Kanaleinsatzes fest, insbesondere formschlüssig, mit der Hülle zu verbinden, wobei durch einheitliche Grundformen von Innenteil und Hülle der Aufwand, was Werkzeuge, insbesondere bei spritzgusstechnischer Fertigung, betrifft, minimiert ist.

Der Durchmesser des Kanaleinsatzes beträgt beispielsweise 20 mm bis 100 mm, insbesondere 30 mm bis 50 mm. Sofern der Kanaleinsatz eine Schraubenform aufweist, beträgt die Steigung beispielsweise lediglich 10 mm ± 2 mm. Mit einer derart geringen Steigung können benachbarte Zellen des Zellenstapels stets an ein anders Kanalsegment des Einsatzes angeschlossen sein. Im Fall größerer Gewindesteigungen, beispielsweise einer Steigung im Bereich von 50 mm bis 500 mm, kann über die gesamte in Normalrichtung der plattenförmigen Zellen zu messende Länge des Zellenstapels zum Beispiel lediglich eine einzige oder zwei Umdrehungen vorliegen. In solchen Fällen werden typischerweise mehrere Zellen gruppenweise jeweils an denselben Teilkanal angeschlossen. Beispielsweise sind hierbei jeweils acht oder 20 Zellen zu einer Gruppe an Redox-Flow-Zellen zusammengefasst. Dies gilt analog auch für Ausführungsformen, in welchen die Funktion der Kanalteilung durch die gestapelten Zellenrahmen übernommen wird.

Allgemein kann es sich bei dem Kanal-Längsteiler, insbesondere in Form eines langgestreckten Kanaleinsatzes, das heißt Rohreinsatzes, um eine ein- oder mehrteilige Komponente der Redox-Flow-Batterie handeln, wobei in jedem Fall elektrische Shunt-Ströme dadurch reduziert sind, dass durch die hydraulische Aufteilung von Elektrolyt führenden Leitungen in zueinander parallele Teilkanäle „Umwege“ für den elektrischen Strom geschaffen sind. Diese „Umwege“ sind dank des Kanal-Längsteilers ohne nennenswerten zusätzlichen Bauraumbedarf realisiert.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Redox-Flow-Batterie in stark vereinfachter Darstellung,

Fig. 2 einen Kanaleinsatz der Redox-Flow-Batterie nach Figur 1 in perspektivischer Ansicht,

Fig. 3 bis 5 den Kanaleinsatz nach Figur 2 in weiteren Ansichten, Fig. 6 ein Detail eines abgewandelten Kanaleinsatzes für eine Redox-Flow-

Batterie,

Fig. 7 einen zweiteiligen Kanaleinsatz,

Fig. 8 einen Kanaleinsatz mit angeformter Abschlussplatte,

Fig. 9 den Kanaleinsatz nach Figur 8 in einer Schnittdarstellung,

Fig. 10 und 11 weitere Kanaleinsätze mit Abschlussplatte,

Fig. 12 einen für die Verwendung in einer Redox-Flow-Batterie geeigneten

Kanaleinsatz mit unterschiedlich geformten Teilkanälen,

Fig. 13 in einem Diagramm Verlustleistungen in verschiedenen Redox-Flow-

Batterien,

Fig. 14 einen gegenüber den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 bis 11 abgewandelten Kanaleinsatz für eine Redox-Flow-Batterie in schematisierter Darstellung,

Fig. 15 einen weiteren Kanaleinsatz in schematisierter Darstellung,

Fig. 16 in geschnittener Darstellung einen Kanaleinsatz mit einem zentralen

Strömungskanal,

Fig. 17 und 18 in Darstellungen analog Fig. 16 mehrteilige Kanaleinsätze für Redox- Flow-Batterien, Fig. 19 und 20 schematisierte Ausschnitte von Redox-Flow-Batterien mit verstellbaren Kanaleinsätzen,

Fig. 21 bis 26 verschiedene Flussplattenanordnungen von Redox-Flow-Batterien.

Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Redox-Flow-Batterie, das heißt Durchflussbatterie, welche sich beispielsweise in einem Kraftfahrzeug befindet oder Teil einer stationären Anlage ist, umfasst eine Vielzahl an Redox-Flow-Zellen 2, welche in Stapelform angeordnet sind, das heißt einen Stack 3 bilden. Bestandteile der einzelnen Redox-Flow-Zellen 2 sind unter anderem Zellenrahmen 4. Die Zellenrahmen 4 sind, ebenso wie die Redox-Flow-Zellen 2 insgesamt, in zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die einzelnen Redox-Flow-Zellen 2 werden aus nicht dargestellten Tanks mit Elektrolytlösung, das heißt mit Anolyt- und Katholytlösung versorgt. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Redox-Flow-Batterie 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Die Elektrolytlösungen, mit welchen die Redox-Flow-Zellen 2 versorgt werden, fließen in den Ausführungsbeispielen durch Kanal-Längsteiler 5, 15, welche entweder als gesonderte Bauteile (Fig. 1 bis 12; Fig. 14 bis 22) ausgebildet oder durch die Gesamtheit der Zellenrahmen 4 gebildet sind (Fig. 23 bis 26). In den Fällen der Figuren 1 bis 12 sowie der Figuren 14 bis 20 sind die Kanal-Längsteiler 5 in Form von Kanaleinsätzen 5 aus Kunststoff gefertigt und haben eine lang gestreckte, bolzen- oder schraubenförmige Grundform, die sich in Normalrichtung der Redox-Flow-Zellen 2 erstreckt. Die entsprechende Ausrichtung weisen auch leistenförmige Trennplatten 15 auf, die in den Fällen der Figuren 21 und 22 als Kanal-Längsteiler 15 vorgesehen sind. In den verschiedenen Ausgestaltungen sind Strömungsrichtungen der Elektrolytlösungen in den Figuren teilweise durch Pfeile kenntlich gemacht und als Zuflussrichtung ZR bezeichnet.

Durch den Kanal-Längsteiler 5, 15, insbesondere in Form des Kanaleinsatzes 5, sind mehrere Teilkanäle K1 bis K8 gebildet, welche einerseits an einen der Elektrolyttanks des Redox-Flow-Systems und andererseits an eine der Redox-Flow-Zellen 2 angeschlossen sind. Bei dem Kanaleinsatz 5 kann es sich um ein einteiliges (Fig. 2 bis 6; Fig. 8 bis 12; Fig. 16 bis 18) oder um ein mehrteiliges Bauteil (Fig. 1 , 7, 17, 18) handeln. Die Trennplatte 15 ist in den Ausführungsbeispielen stets einteilig.

Unabhängig von der Ein- oder Mehrteiligkeit des Kanaleinsatzes 5 kann durch diesen eine Schraubengeometrie 6, das heißt die Form eines Gewindes, ausgebildet sein. In diesen Fällen handelt es sich immer um ein mehrgängiges, das heißt mindestens zweigängiges Gewinde. Die einzelnen Gewindegänge, das heißt Teilkanäle K1 bis K8, sind durch Wandungen 7 voneinander getrennt. In den Ausführungsbeispielen weisen die Wandungen 7 eine Wandstärke im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm auf. Die Wandungen 7 sind an einen zentralen Kem 8 angeformt, der eine zylindrische Grundform hat und entweder massiv (Fig. 2 bis 12) oder hohl (Fig. 16 bis 18) gestaltet sein kann. Im letztgenannten Fall ist im Kem 8 ein zentraler Strömungskanal 9 ausgebildet.

Derjenige Abschnitt des Kanaleinsatzes 5, in welchem die Teilkanäle K1 bis K8 ausgebildet sind, wird als Hauptabschnitt 10 des Kanaleinsatzes 5 bezeichnet. Die Funktionsfähigkeit des Kanaleinsatzes 5 ist bereits durch den Hauptabschnitt 10, welcher auch als Hauptkörper bezeichnet wird, gegeben. Der Hauptkörper 10 kann durch eine stirnseitige Abschlussplatte 11 in der Art eines Schraubenkopfes abgeschlossen sein (Fig. 8 bis 12; Fig. 16 bis 18).

In den Fällen der Figuren 1 bis 11 liegt eine sechsgängige Gestaltung des schraubenförmig gestalteten Hauptkörpers 10 vor. Eine achtgängige Gestaltung ist in Fig. 14 skizziert. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 sind lediglich 4 Teilkanäle K1 , K2, K3, K4 vorhanden. Die Teilkanäle K1 bis K4 liegen hierbei in Form von sich in Längsrichtung des Hauptkörpers 10 erstreckenden Axialabschnitten 12 vor, an welche sich teilweise Tangentialabschnitte 13 anschließen, das heißt Abschnitte, in welchen die Elektrolytlösung im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Hauptkörpers 10 strömt. Wie in allen anderen Ausführungsformen ist auch hier an jeden Teilkanal K1 bis K4 entweder jeweils eine einzige Redox-Flow-Zelle 2 oder eine Gruppe an Redox-Flow- Zellen2 angeschlossen. Der letztgenannte Fall trifft zum Beispiel auf die Gestaltung nach Fig. 14 zu. Ebenso gilt dies für die Ausführungsform nach Fig. 15, in welcher die einzelnen Teilkanäle K1 bis K4 gegenüber der Längsachse des Kanaleinsatzes 5 schräg gestellt sind.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 liegt, ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, eine Aufteilung des Elektrolytstroms in sechs Teilströme vor. Im Unterschied zur Variante nach Fig. 2 ist jedoch im Fall von Fig. 16 genau ein Teilkanal K6 an den hier vorhandenen zentralen Strömungskanal 9 angeschlossen. Weiterhin ist in Fig. 16 eine ringförmig umlaufende Nut 14 erkennbar, welche sich in der Anschlussplatte 11 befindet und das Einlegen einer Dichtung ermöglicht. In den Fällen der Fig. 17 und 18 sind derartige Nuten 14 an beiden Hauptkörpern 10 vorhanden. Die Fig. 17 und 18 veranschaulichen verschiedene Möglichkeiten, Elektrolytlösung durch einen von zwei miteinander verbundenen Hauptkörpern 10 hindurch dem anderen Hauptkörper 10 desselben Kanaleinsatzes 5 zuzuführen.

Die Aufteilung des Elektrolytstroms in mehrere Teilströme, welche durch die Teilkanäle K1 bis K8 vorgegeben sind, sorgt dafür, dass die Länge elektrischer Pfade, in welchen sich innerhalb der Redox-Flow-Batterie 1 Shunt-Ströme ausbilden können, maximiert wird. In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 13 verwiesen. Hierin gibt nZ die Anzahl an Redox-Flow-Zellen 2 einer Redox-Flow-Batterie 1 an. Es werden Stacks 3 mit bis zu 200 Redox-Flow-Zellen 2 betrachtet.

Die als Kennlinien KL1 , KL2, KL3 bezeichneten Kurven zeigen die Auswirkungen unterschiedlicher Arten der Gruppierung von Zellen 2. In allen Fällen ist mit PVZ die Verlustleistung pro Redox-Flow-Zelle 2 (in %) angegeben. Tendenziell wird die Verlustleistung PVZ umso größer, je größer der Stack 3 ist, wobei bei Stacks 3, die aus nicht mehr als ca. 20 Redox-Flow-Zellen 2 gebildet sind, lediglich ein leichter Anstieg der Verlustleistung PVZ mit zunehmender Stackgröße zu beobachten ist.

Im Fall der obersten, gestrichelten Kurve, das heißt der Kennlinie KL1 , ist keinerlei Gruppierung von Redox-Flow-Zellen 2 gegeben. Dies bedeutet, dass die Elektrolyte nacheinander durch alle Zellen 2 strömen. Wie aus Fig. 13 hervorgeht, steigt die Verlustleistung PVZ bei Stacks 3, die aus mehr als 20 Zellen 2 gebildet sind, mit zunehmender Stackgröße stark an.

Die mittlere, in Fig. 13 mit durchgezogener Linie eingezeichnete Kurve, das heißt die Kennlinie KL2, bezieht sich auf eine Teilung des Stacks 3 nach jeweils 20 Zellen 2. Dies bedeutet, dass Zwanzigerblöcke von Zellen 2 gemeinsam, insbesondere durch einen der Kanäle K1 bis K8, mit Elektrolytlösung versorgt werden. Die nächsten 20 Redox-Flow-Zellen 2 sind an den nächsten Teilkanal K2 bis K8 angeschlossen. Hydraulisch werden somit 20er Blöcke an Zellen 2 wie eine einzige Zelle versogt. Im Vergleich zur Variante ohne Kanalteilung ist eine drastische Reduktion der Verlustleistung PVZ feststellbar.

Die unterste, strichpunktierte Kurve in Fig. 13, das heißt die Kennlinie KL3, bezieht sich auf eine Teilung des Stacks 3 nach je acht Zellen 2. Im Fall von insgesamt 200 Zellen existieren somit 25 hydraulisch parallel geschaltete 8er Blöcke von Redox- Flow-Zellen 2. Stehen lediglich acht Teilkanäle K1 bis K8 zur Verfügung, so lässt sich auf diese Weise ein Stack mit bis zu 64 Zellen 2 aufbauen. Im Vergleich zur 20er Teilung ist die Verlustleistung PVZ, wie aus Fig. 13 hervorgeht, nochmals reduziert, wobei bei Stackgrößen ab etwa 100 Redox-Flow-Zellen 2 praktisch keine Erhöhung der Verlustleistung PVZ mehr festzustellen ist.

Die Fig. 21 bis 26 illustrieren verschiedene Möglichkeiten des Anschlusses der

Teilkanäle K1 bis K8 an den Zellenrahmen 4. Fertigungstechnisch sind insbesondere Symmetrien des Zellenrahmens 4 von Vorteil. Aktivfeldkomponenten der Redox-Flow- Zellen 2 sind nicht dargestellt. Zur Unterteilung von Kanälen K1 bis K8 sind in einigen Fällen (Fig. 21 , 22) bereits erwähnte Trennplatten 15 vorgesehen, die die Funktion einfachster Kanaleinsätze 5 und damit Kanal-Längsteiler übernehmen.

Die Trennplatten 15 stellen strömungstechnisch Wandungen 7 des Kanaleinsatzes 5 oder Fortsetzung solcher Wandungen in Ström ungsrichtung ZR dar. Optional sind die Wandungen 7, wie beispielhaft aus Fig. 6 hervorgeht, durch Verbreiterungen 16 abgeschlossen, welche jeweils in eine Nut 17 eines Umgebungsbauteils, beispielsweise einer Endplatte des Stacks 3, eingreifen und dort für die erforderliche Dichtheit sorgen. In nicht dargestellte Weise sind solche Verbreiterungen 16 optional auch bei den Trennplatten 15 der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 21 bis 26 vorhanden.

Die Fig. 19 und 20 veranschaulichen eine Variante der Redox-Flow-Batterie 1 mit verstellbaren Kanaleinsätzen 5. In diesem Fall liegt eine Achtelung eines Hauptkanals 18 vor, über weichen Elektrolytlösung den einzelnen Redox-Flow-Zellen 2 zugeführt wird. Lediglich ein einziges Segment, das heißt 45° Segment, des Kanaleinsatzes 5 ist in diesem Fall offen und damit mit einem Mäanderkanal 19 verbindbar, welcher im Zellenrahmen 4 ausgebildet ist und zum Aktivfeld der betreffenden Redox-Flow-Zelle 2, das heißt zum Bereich, in dem die elektrochemischen Reaktionen ablaufen, führt. Über die in den Figuren skizzierten Varianten hinaus können die Mäanderkanäle 19 verschiedenste Querschnittsformen, beispielsweise rechteckige oder halbkreisförmige Querschnitte, sowie Anordnungen und Formen auf dem Zellenrahmen 4, zum Beispiel mäandernde oder spiralförmige Grundformen, haben. Alternativ zu einer Mäanderform kommt auch eine gerade, langgestreckte Form der Kanäle 19 in Betracht.

Im ersten Achtel des Stacks 3, bezogen auf dessen Längsrichtung, das heißt Normalrichtung der Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen 2 angeordnet sind, wird die in Fig. 19 skizzierte Einbaulage des Kanaleinsatzes 5 verwendet; im nächsten Achtel die in Fig. 20 skizzierte, um 45 Grad verdrehte Einbaulage, und so weiter. Für die Abführungen von Elektrolytlösung aus dem Stack 3 gilt entsprechendes. Die einzelnen Zellenrahmen 4 sind unterschiedlich zu gestalten, je nachdem, aus welchem Achtel des Hauptkanals 18 Elektrolytlösung in den Mäanderkanal 19 überzuleiten ist.

Durch mögliche Punktsymmetrien (siehe zum Beispiel Fig. 22) ist eine Anzahl von vier verschiedenen Varianten an Zellenrahmen 4 ausreichend. Die Halbierung von Hauptkanälen 18 gemäß Fig. 21 und 22 stellt eine vereinfachte Variante der Kanalteilung gemäß Fig. 19 und 20 dar. In den Fällen der Fig. 23 bis 26 sind jeweils acht außerhalb des Aktivfeldes angeordnete, in diesen Fällen quadratische Öffnungen erkennbar, die in vielfältiger Weise zu Bildung von Hauptkanälen 18 nutzbar sind. Hierbei ist durch jeden Zellenrahmen 4 jeweils nur eine Auswahl, nämlich zwei Stück, der Öffnungen, tatsächlich an einen Hauptkanal 18 und zugleich über einen Mäanderkanal 19 an das Aktivfeld der betreffenden Redox-Flow-Zelle 2 angeschlossen. Die übrigen Öffnungen desselben Zellenrahmens 4 sind, was diese Redox-Flow-Zelle 2 betrifft, ohne Funktion und dienen der Versorgung anderer, in Längsrichtung des Stacks 3 vor- oder nachgelagerter Redox-Flow-Zellen 2 mit Elektrolytlösung. Die Kanal-Längsteiler 5 sind in den Fällen der Figuren 23 bis 26 unmittelbar durch die Zellenrahmen 4 gebildet.

Bezuqszeichenliste

1 Redox-Flow-Batterie

2 Redox-Flow-Zelle

3 Stack

4 Zellenrahmen

5 Kanal-Längsteiler, Kanaleinsatz

6 Schraubengeometrie

7 Wandung

8 Kern

9 Strömungskanal

10 Hauptkörper

11 Abschlussplatte

12 Axialabschnitt

13 Tangentialabschnitt

14 Nut in der Abschlussplatte

15 Kanal-Längsteiler, Trennplatte

16 Verbreiterung

17 Nut

18 Hauptkanal

19 Mäanderkanal

PVZ Verlustleistung

K1 bis K8 Teilkanäle

KL1 bis KL3 Kennlinie nZ Anzahl an Redox-Flow-Zellen

ZR Zuflussrichtung

Claims

Patentansprüche

1 . Redox-Flow-Batterie, mit einer Anzahl an Redox-Flow-Zellen (2), welche in Stapelform, in zueinander parallelen Ebenen liegend, angeordnet sind, wobei ein Kanalsystem zur Ver- und Entsorgung der Redox-Flow-Zellen (2) mit Elektrolytlösungen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem mindestens einen Kanal-Längsteiler (5, 15) umfasst, welcher mehrere zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme auf die einzelnen Redox-Flow-Zellen (2) aufteilt und eine langgestreckte Grundform mit einer Haupterstreckungsrichtung normal zu den Ebenen, in welchen die Redox-Flow-Zellen (2) liegen, hat.

2. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal-Längsteiler (5, 15) zur Aufteilung eines Elektrolytstroms auf mindestens zwei und maximal zwölf zumindest partiell parallel zueinander strömende Elektrolytteilströme ausgebildet ist.

3. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal-Längsteiler (5, 15) als Kanaleinsatz ausgebildet ist, welcher in eine Anordnung mehrerer Zellenrahmen (4) der Redox-Flow-Zellen (2) eingesteckt ist.

4. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaleinsatz (5) eine mehrgängige Schraubengeometrie (6) aufweist.

5. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaleinsatz (5) einen zentral innenliegenden Strömungskanal (9) und mindestens einen radial außenliegenden Teilkanal (K1 , ... , K8) aufweist.

6. Redox-Flow-Batterie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaleinsatz (5) mehrere Axialabschnitte (12), welche in Normalrichtung des Redox-Flow-Zellen-Stapels (3) ausgerichtet sind, sowie jeweils an einen Axialabschnitt (12) anschließende, zu mindestens einer der Redox-Flow-Zellen (2) hin offene Tangentialabschnitte (13) aufweist.

7. Redox-Flow-Batterie nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaleinsatz (5) aus Kunststoff gefertigt ist und Strömungspfade voneinander trennende Wandungen (7) mit einer Wandstärke von 0,2 mm bis 4 mm aufweist.

8. Redox-Flow-Batterie nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaleinsatz (5, 15) eine an einen zur Strömungsleitung ausgebildeten Hauptkörper (10) anschließende Abschlussplatte (11 ) mit im Vergleich zum Hauptkörper (10) vergrößertem Durchmesser aufweist, in welcher mindestens eine zur Aufnahme einer Dichtung vorgesehene Nut (14) ausgebildet ist.

9. Redox-Flow-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal-Längsteiler (5, 15) durch aufeinander gestapelte Zellenrahmen (4) der Redox-Flow-Zellen (2) gebildet ist, wobei jeweils nur eine Teilmenge von durch den Kanal-Längsteiler (5, 15) voneinander getrennten Hauptkanälen (18) an jede Redox-Flow-Zelle (2) angeschlossen ist.

10. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenrahmen (4) derart ausgebildet sind, dass sie jeweils wahlweise in einer von mehreren möglichen Orientierungen im Redox-Flow-Zellen-Stapel (3) montierbar sind, wobei in den verschiedenen Orientierungen unterschiedliche Hauptkanäle (18) an die betreffende, den Zellenrahmen (4) aufweisende Redox-Flow-Zelle (2) angeschlossen sind.