WO2024083406A2

WO2024083406A2 - Zellanordnung für eine redox-flow batterie und redox-flow batterie

Info

Publication number: WO2024083406A2
Application number: PCT/EP2023/074919
Authority: WO
Inventors: Thomas LÜTH; Jens Kaufmann
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2023-09-11
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie mit einer Vielzahl von Zellelementen umfassend: zwei Endplatten (1, 1.1), wenigstens eine Zwischenplatte (1.2), zwei Stromabnehmer (2), eine Vielzahl von Bipolarplatten (3), eine Vielzahl von positiven Rahmenelementen (4.1, 4.2, 4.3) und eine Vielzahl von negativen Rahmenelementen (5.1, 5.2, 5.3), und wobei die Zellanordnung wenigstens zwei Teilabschnitte umfasst, und wobei jeder Teilabschnitt vier Verteilkanäle (7) und eine Vielzahl von Zellen umfasst, und wobei jeder der Verteilkanäle (7) wenigstens zwei seriell miteinander verbundene Verteilkanalzweige umfasst, und wobei die Anzahl der Verteilkanalzweige in jedem Verteilkanal (7) gleich ist, und wobei sich jeder der Verteilkanalzweige in z-Richtung wenigstens soweit über den zugehörigen Teilabschnitt erstreckt, wie Rahmenelemente (4.1, 4.2, 4.3, 5.1, 5.2, 5.3) in dem betreffenden Teilabschnitt angeordnet sind, und wobei die Rahmenelemente wenigstens zwei Gruppen bilden, und wobei die Rahmenelemente einer Gruppe jeweils so angeordnet sind, dass sie einen Unterabschnitt des zugehörigen Teilabschnitt bilden.

Description

Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie und Redox-Flow Batterie

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie, insbesondere eine Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie auf Vanadium Basis. Die Erfindung betrifft ferner eine Redox-Flow Batterie mit einer solchen Zellanordnung.

Zellanordnungen für eine Redox-Flow Batterie sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 10 2013 107 516 A1 eine solche Zellanordnung in den Figuren 4-7 und den zugehörigen Textpassagen.

Grundsätzlich umfasst die Zellanordnung einer Redox-Flow Batterie wenigstens eine elektrochemische Zelle, die zwei Reaktionsräume mit porösen Durchflusselektroden aufweist und von einer Membran fluidisch getrennt sind. Dabei ist je ein Reaktionsraum in einer sogenannten Halbzelle angeordnet. In der Regel umfasst die Zellanordnung einer Redox-Flow Batterie jedoch eine Vielzahl von solchen elektrochemischen Zellen, um eine hohe Batteriespannung zur Verfügung stellen zu können. Dazu werden die einzelnen Zellen elektrisch in Reihe geschaltet. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Redox-Flow Batterie, welche eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen umfasst.

Während des Betriebs werden die Halbzellen der Redox-Flow Batterie von Elektrolytflüssigkeit durchströmt. Das geschieht mit Hilfe von zwei Elektrolytkreisläufen, wobei ein erster Elektrolytkreislauf die negativen Halbzellen mit Elektrolytflüssigkeit versorgt, und ein zweiter Elektrolytkreislauf die positiven Halbzellen mit Elektrolytflüssigkeit versorgt. Jeder Elektrolytkreislauf umfasst dazu wenigstens einen Tank zum Speichern der Elektrolytflüssigkeit, eine Pumpe zum Umwälzen der Elektrolytflüssigkeit und Zuleitungs- und Ableitungsrohre, welche die Verbindung zwischen dem oder den Tanks und der Zellanordnung herstellen. Dabei bilden die negativen Halbzellen und die positiven Halbzellen fluidisch betrachtet jeweils eine Parallelschaltung. Innerhalb der Zellanordnung gibt es dazu pro Kreislauf zwei Arten von Kanälen. Erstens sogenannte Verteilkanäle, mit welchen die Elektrolytflüssigkeit über die gesamte Zellanordnung verteilt wird, und zweitens sogenannte Anströmkanäle, welche von den Verteilkanälen abzweigen, um Elektrolytflüssigkeit in die einzelnen Halbzellen ein- und abzuführen.

Da die Elektrolytflüssigkeit elektrisch leitfähig ist, bilden sich schädliche elektrische Nebenschlussströme, sogenannte shunt currents aus, sobald die Zellanordnung mit geladener Elektrolytflüssigkeit geflutet ist. Der shunt current führt selbstverständlich zu einem elektrischen Verlust. Außerdem kann derselbe sogar dazu führen, dass durch Zersetzungsprozesse Sauerstoff freigesetzt wird, welcher zu einer Kohlenstoffkorrosion der Zellanordnung und so über die Zeit zum Ausfall der Batterie führen kann. Da die Stromdichte der Nebenschlussströme an den Zellen am höchsten ist, die in Stapelrichtung am vorderen und hinteren Ende angeordnet sind, sind dieselben am stärksten von diesen Zersetzungsprozessen und ihren Folgen betroffen.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die shunt currents dadurch begrenzt werden können, dass die Anströmkanäle möglichst lang und dünn ausgebildet werden. So sind beispielsweise in der DE 102013 107 516 A1 die Anströmkanäle in Form einer Schleife ausgebildet (siehe 14 in Fig. 6). Auch Anströmkanäle in Form von mehreren Schleifen, d.h. in Mäanderform bzw. Serpentinenform, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Allerdings wirkt sich ein dünner langer Kanal negativ auf den Druckabfall und damit auf die eingesetzte Pumpenenergie aus. Daher ist dieser Art von Abhilfe eine Grenze gesetzt.

In der EP 2 548 256 B1 wird vorgeschlagen, die Zellanordnung in zwei oder mehr als zwei Teilabschnitte zu unterteilen, wobei die bevorzugte Ausführungsform zwei Teilabschnitte umfasst. Auf diese bezieht sich die hier gegebene kurze Zusammenfassung. Jeder der beiden Teilabschnitte besitzt eine separate Einrichtung für die Zu- und Abführung von Elektrolytflüssigkeit. Dazu umfasst die Zellanordnung die doppelte Anzahl von Verteilkanälen (d.h. acht), wobei jeder Verteilkanal einen eigenen nach außen führenden Anschluss aufweist. Die Verteilkanäle bilden so zwei Gruppen, wobei eine Gruppe der Verteilkanäle mit den Zellen des einen Teilabschnitts der Zellanordnung und die andere Gruppe der Verteilkanäle mit den Zellen des anderen Teilabschnitts der Zellanordnung verbunden ist. Dabei entspricht die Anzahl der Verteilkanalgruppen der Anzahl der Teilabschnitte. Dadurch können shunt currents nur innerhalb der Teilabschnitte fließen, wobei nur die Spannungen der einzelnen Teilabschnitte wirken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Zellanordnung mit mehreren Teilabschnitten für eine Redox-Flow Batterie anzugeben, welche eine verbesserte Begrenzung der shunt currents ermöglicht und welche flexibler in der Auslegung ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.1 Zellanordnung gemäß dem Stand der Technik;

Fig.2 Erfindungsgemäße Rahmenelemente der ersten Gruppe;

Fig.3 Erfindungsgemäße Rahmenelemente der zweiten Gruppe;

Fig.4 Erfindungsgemäße Rahmenelemente der dritten Gruppe;

Fig.5 Schnitte durch einen Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen

Zellanordnung;

Fig.6A Erfindungsgemäße Zellanordnung;

Fig.6B Erfindungsgemäße Zellanordnung;

Fig.7 Erfindungsgemäße Endplatten und Zwischenplatten;

Fig.8 Erfindungsgemäßes Rahmenelement mit Verteilerplatte;

Fig.9 Erfindungsgemäße Endplatten/Zwischenplatten in einer weiteren

Ausführungsform;

Fig.10 Erfindungsgemäße Endplatten/Zwischenplatten in einer weiteren Ausführungsform;

Fig.11 Erfindungsgemäße Zellanordnung mit Strom- und Spannungssensoren; Fig.12 Erfindungsgemäße Zellanordnung mit an einer Zwischenplatte angreifenden Zugbolzen;

Fig.13 Erfindungsgemäße Zellanordnung mit drei Teilabschnitten;

Fig.14 Erfindungsgemäße Zellanordnung in einer weiteren Ausführungsform;

Fig.15 Erfindungsgemäße Zellanordnung in einer weiteren Ausführungsform;

Figur 1 zeigt eine Zellanordnung gemäß dem Stand der Technik in stark schematischer Darstellung. Die Zellanordnung wird dabei durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Zellelementen gebildet, die in einer bestimmten Reihenfolge aufeinandergestapelt sind. Man spricht daher auch von einem Zellstapel (engl. „cell stack“). Die Zellelemente sind plattenförmig ausgebildet. Ganz außen liegen zwei Elemente, welche gewöhnlich Endplatten (engl. „end plate“) genannt werden. Diese sind dicker als die übrigen Zellelemente ausgebildet und tragen gewöhnlich die Anschlüsse, durch die Elektrolyt der Zellanordnung zugeführt und von derselben abgeführt wird. In Figur 1 ist eine Endplatte mit 1 bezeichnet. Neben den Endplatten sind zwei Elemente angeordnet, welche gewöhnlich Stromabnehmer (engl. „current colector“) genannt werden, da dieselben elektrische Anschlüsse tragen, welche zur Ableitung bzw. Zuführung des Lade- oder Entladestroms dienen. In Figur 1 ist ein Stromabnehmer mit 2 bezeichnet. Zwischen diesen Elementen ist eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen angeordnet. Dabei umfasst je eine Zelle eine negative und eine positive Halbzelle. Die Begriffe „negativ“ und „positiv“ beziehen sich dabei auf die Polarität des Elektrolyten, welcher in die betreffenden Halbzellen eingebracht wird und nicht auf eine spezielle Ausprägung der Halbzellen selbst. Bei Batterien auf Vanadium Basis ergibt sich noch die Besonderheit, dass die Polarität des Elektrolyten allein von der Stromrichtung abhängt, mit der die Batterie betrieben wird. Die Halbzellen werden dabei durch sogenannten Rahmenelemente (engl. „flow frame“) gebildet. In Figur 1 ist ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle mit 4, und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle mit 5 bezeichnet. Die Halbzellen umfassen außerdem jeweils eine Elektrode, welche in Figur 1 nicht dargestellt ist. Zwei benachbarte Zellen werden durch jeweils eine sogenannte Bipolarplatte (engl. „bipolar plate“) elektrisch miteinander verbunden. In Figur 1 ist eine Bipolarplatte mit 3 bezeichnet. Zwischen den Halbzellen einer Zelle ist jeweils eine Membran angeordnet. Die Membranen sind in Figur 1 nicht gesondert dargestellt. Die Lage einer der Membranen ist mit dem mit 6 bezeichneten Pfeil angedeutet. Die in Figur 1 dargestellte Zellanordnung umfasst 5 Zellen. In realen Zellanordnungen ist die Anzahl der enthaltenen Zellen meist weit größer. Die Stapelrichtung, d.h. die Richtung senkrecht zu den Zellelementen, ist in Figur 1 als z- Richtung gekennzeichnet. Senkrecht zur z-Richtung spannt sich die x-y-Ebene auf und bildet ein kartesisches Koordinatensystem. D.h. in Figur 1 weist die x-Richtung in die Zeichenebene hinein. In Figur 1 haben alle dargestellten Elemente dieselbe Ausdehnung in y-Richtung. Das muss jedoch nicht in jedem Falls so sein. So können beispielsweise die Bipolarplatten 3 eine kleinere Ausdehnung in x- und/oder y-Richtung als die Rahmenelemente 4 und 5 haben. Dann können die Bipolarplatten in Aussparungen der Rahmenelemente angeordnet sein, so dass dieselben von außerhalb der Zellanordnung nicht sichtbar sind.

Es sei erwähnt, dass die Zellanordnung zur Vermeidung von Elektrolytleckage über entsprechende Mittel zu Dichtung verfügt. Dabei kann es sich um herkömmliche Dichtungen handeln, oder die Dichtfunktion wird durch Verschweißen oder Verkleben von Zellelementen erreicht.

In vielen herkömmlichen Zellanordnungen sind die Rahmenelemente 4 und 5 identisch aufgebaut und negative und positive Rahmenelemente unterscheiden sich nur durch die Einbaulage.

Gewöhnlich sind die Rahmenelemente 4 und 5 einteilig ausgebildet. Aus dem Stand der Technik sind jedoch auch mehrteilig bzw. modular ausgebildete Rahmenelemente bekannt geworden. Wir verweisen dazu beispielhaft auf die WO 2022/128737 A1 .

Die erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst wenigstens zwei Teilabschnitte, wobei jeder Teilabschnitt eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen umfasst, und wobei es innerhalb der Zellanordnung zwischen den einzelnen Teilabschnitten keine elektrolytische Verbindung gibt. Dazu umfasst jeder Teilabschnitt separate Verteilkanäle. Jeder Teilabschnitt umfasst ferner jeweils wenigstens zwei Gruppen von unterschiedlichen Rahmenelementen. Die in den Figuren 2 bis 5, 6a, 6b und 12 gezeigten Ausführungsformen umfassen jeweils drei Gruppen von unterschiedlichen Rahmenelementen.

Figur 2 zeigt zwei Rahmenelemente der ersten Gruppe. Ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle ist mit 4.1 und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle ist mit 5.1 bezeichnet. Der Kürze halber werden in den Ansprüchen die Rahmenelement einer positiven Halbzelle kurz als positive Rahmenelemente bezeichnet. Analoges gilt für die Rahmenelemente einer negativen Halbzelle. Dabei wird die generelle Plattenform durch eine zentrale Aussparung durchbrochen, wodurch sich eine Rahmenform ergibt. Dabei bildet diese Aussparung den Reaktionsraum der jeweiligen Halbzelle, in welcher eine nicht dargestellte Elektrode angeordnet ist. In Figur 2 ist ein Reaktionsraum mit 9 bezeichnet. Die Rahmenelemente in der gezeigten Ausführungsform zeichnen sich dadurch aus, dass die Verteilkanäle die Rahmenelemente in mehreren Zweigen durchdringen. Dazu weist das Rahmenelement Durchbrüche auf. In Figur 2 ist einer der Durchbrüche mit 7 bezeichnet. In der gezeigten Ausführungsform durchdringen die Verteilkanäle jedes Rahmenelement in drei Zweigen. Da die Zweige innerhalb eines Teilabschnittes seriell miteinander verbunden sind (s.u.), bilden die entsprechenden Zweige einen Verteilkanal. Es wird dann auch von Verteilkanalzweigen gesprochen. Daher bezeichnet die Bezeichnung 7 in Figur 2 auch einen Verteilkanal.

In Ausführungsformen, in denen die Verteilkanäle die Rahmenelemente durchdringen, durchdringen die Verteilkanäle jedes Rahmenelement in wenigstens zwei Zweigen. Es gibt auch Ausführungsformen, in denen die Verteilkanäle die Rahmenelemente nicht durchdringen. Bei diesen Ausführungsformen sind die Zweige der Verteilkanäle außen an der Zellanordnung in separaten Verteilerplatten angeordnet (siehe Figur 8). In jedem Fall erstrecken sich alle Zweige der Verteilkanäle in z-Richtung wenigstens so weit über die Teilabschnitte der Zellanordnung, wie Rahmenelemente in den Teilabschnitten angeordnet sind. Die Zweige der Verteilkanäle jedes Teilabschnittes bilden also wenigstens zwei Gruppen. Alle Verteilkanäle eines Teilabschnittes haben dieselbe Anzahl von Verteilkanalzweigen. Im Folgenden werden die Gruppen der Verteilkanalzweige folgendermaßen bezeichnet: Die in x-Richtung ganz außen liegenden Verteilkanalzweige bilden die erste Gruppe. Die daran innen angrenzenden Verteilkanalzweige bilden die zweite Gruppe. Die daran innen angrenzenden Verteilkanalzweige bilden die dritte Gruppe. Das geht so weiter bis alle Verteilkanalzweige einer Gruppe angehören. In den in den Figuren 2 bis 5, 6a, 6b und 12 gezeigten Ausführungsformen gibt es also insgesamt drei Gruppen von Verteilkanalzweigen in den Teilabschnitten.

Die Anströmkanäle der in Figur 2 gezeigten Rahmenelemente, d.h. die Anströmkanäle der Rahmenelemente der ersten Gruppe zweigen von den Verteilkanalzweigen der ersten Gruppe ab. In Figur 2 ist ein Anströmkanal mit 8 bezeichnet. Die Anströmkanäle münden im Reaktionsraum 9 der Rahmenelemente bzw. der entsprechenden Halbzellen. Die Anströmkanäle 8 sind dabei in das zugehörige Rahmenelement eingesenkt, d.h. die Anströmkanäle 8 bilden keinen Durchbruch durch das Rahmenelement, sondern bilden eine Eintiefung im Rahmenelement. In Einbaulage werden die Anströmkanäle 8 in z-Richtung durch benachbarte elektrisch nichtleitende Elemente begrenzt. Dies können je nach Bauform benachbarte Rahmenelemente oder an diesen Stellen elektrisch passivierte Bipolarplatten sein. Gewöhnlich werden die Rahmenelemente, während des Betriebs, wie in Figur 2 gezeigt, diagonal durchströmt. Dabei wird die Strömungsrichtung gewöhnlich so gewählt, dass die Elektrolytflüssigkeit von unten nach oben durch den Reaktionsraum 9 gedrückt wird. D.h. in Figur 2 zeigt die y-Richtung vertikal nach oben.

Figur 3 zeigt zwei Rahmenelemente der zweiten Gruppe. Ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle ist mit 4.2 und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle ist mit 5.2 bezeichnet. Die Anströmkanäle der in Figur 5 gezeigten Rahmenelemente, d.h. die Anströmkanäle der Rahmenelemente der zweiten Gruppe zweigen von den Verteilkanalzweigen der zweiten Gruppe ab.

Figur 4 zeigt zwei Rahmenelemente der dritten Gruppe. Ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle ist mit 4.3 und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle ist mit 5.3 bezeichnet. Die Anströmkanäle der in Figur 4 gezeigten Rahmenelemente, d.h. die Anströmkanäle der Rahmenelemente der dritten Gruppe zweigen von den Verteilkanalzweigen der dritten Gruppe ab.

Entgegen der schematischen Darstellung der Figuren 2 bis 4 werden die Anströmkanäle 8 geschwungen und nicht eckig ausgeführt, um Strömungsverluste zu vermeiden. Dabei können die Anströmkanäle 8 in jeder aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform ausgebildet sein, d.h. beispielsweise schleifenförmig oder serpentinenartig. Sie können auch Verzweigungen aufweisen und an mehreren Stellen in den Reaktionsraum 9 münden.

Auch gemäß der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Rahmenelemente einer Gruppe identisch aufgebaut sind, so dass sich die zu einer positiven und zu einer negativen Halbzelle gehörigen Rahmenelemente einer Gruppe nur durch die Einbaulage unterscheiden.

Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Teilabschnitt einer Zellanordnung mit Rahmenelementen gemäß den Figuren 2 bis 4. Dabei wird im oberen Teil der Figur 5 der Schnitt A-A und im unteren Teil der Schnitt B-B dargestellt. In der Darstellung von Figur 5 sind der Übersichtlichkeit halber Bipolarplatten und Stromabnehmer nicht dargestellt.

Erfindungsgemäß wird ein Teilabschnitt einer Zellanordnung entweder auf der einen Seite durch eine Endplatte und auf der anderen Seite durch eine sogenannte Zwischenplatte oder auf beiden Seiten durch Zwischenplatten begrenzt. Zwischenplatten sind Platten, welche zwischen zwei benachbarten Teilabschnitten angeordnet sind. In Figur 5 ist eine Endplatte mit 1.1 und eine Zwischenplatte mit 1.2 bezeichnet.

Die Endplatte 1.1 und die Zwischenplatte 1.2 sind so ausgebildet, dass die Verteilkanalzweige der verschiedenen Gruppen so miteinander verbunden sind, dass dieselben einen durchgängigen Verteilkanal bilden. Wie bei herkömmlichen Zellanordnungen ergeben sich so vier Verteilkanäle, wobei jedoch erfindungsgemäß jeder Verteilkanal wenigstens zwei seriell miteinander verbundene Verteilkanalzweige umfasst. Außerdem erstreckten sich die gezeigten Verteilkanäle nur durch einen Teilabschnitt der Zellanordnung.

Die in Kreisen angeordneten x-Zeichen zeigen dabei die Abzweigstellen der Anströmkanäle der entsprechenden Rahmenelemente an. Die im oberen Teil der Figur 5 dargestellten Klammem samt Bezeichnungen beziehen sich auf die Art der jeweils dort angeordneten Rahmenelemente gemäß den Figuren 2 bis 4. Die Rahmenelemente einer Gruppe sind jeweils so angeordnet, dass sie einen Abschnitt eines Teilabschnitts einer Zellanordnung bilden. Einen solchen Abschnitt könnte man daher als Unterabschnitt bezeichnen.

Da sich jeder Verteilkanal auf diese Weise mehrfach über die Länge des Teilabschnittes in z-Richtung erstreckt, ist klar, dass die elektrische Weglänge des shunt currents zwischen der ersten und der letzten Zelle des Teilabschnittes durch die Verteilkanäle mehr als dreimal so lang ist, wie die Erstreckung des Teilabschnittes in z-Richtung. Dadurch wird die gerade an diesen Stellen besonders schädliche Dichte des shunt currents entscheidend verringert. Entsprechendes gilt für die dazwischen liegenden Zellen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verteilkanäle die gesamte Zellanordnung in der dargestellten Ansicht meanderförmig bzw. serpentinenartig durchziehen. Im Gegensatz zu der EP 2 548256 B1 durchziehen die Verteilkanäle nur einen Teilbereich der Zellanordnung und nicht die gesamte Zellanordnung.

Die Figuren 6A und 6B zeigen Schnitte A-A und B-B durch eine gesamte erfindungsgemäße Zellanordnung. Die Darstellungsweise ist analog zur Darstellungsweise von Figur 5. Jede Endplatte weist Anschlüsse auf, durch die Elektrolyt den beiden Teilabschnitten der Zellanordnung zugeführt und von denselben abgeführt wird. Es ist klar, dass es wie in der EP 2 548 256 B1 innerhalb der Zellanordnung keine Verbindung der Elektrolytkreisläufe der einzelnen Teilabschnitte gibt. Allerdings weisen die einzelnen Teilabschnitte für sich betrachtet im Vergleich mit der EP 2 548256 B1 ein verbessertes Verhalten in Bezug auf shunt currents auf (siehe die Ausführungen im vorangehenden Abschnitt). Außerdem ist klar, dass die Anzahl der Verteilkanalzweige erfindungsgemäß unabhängig von der Anzahl der Teilabschnitte ist. In der EP 2 548 256 B1 muss die Anzahl der Verteilkanalzweige der Anzahl der Teilabschnitte entsprechen. Daher kann eine Zellanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung flexibler ausgelegt werden als eine Zellanordnung gemäß der technischen Lehre der EP 2 548 256 B1 .

Figur 7 zeigt den Aufbau der Endplatten 1.1 und der Zwischenplatte 1.2 aus den vorangehenden Figuren, mit deren Hilfe die serielle Verbindung der Verteilkanalzweige bewerkstelligt wird. Die kreuzschraffierten Bereiche deuten dabei die in die Endplatten bzw. die Zwischenplatte eingetieften Umlenkbereiche der Verteilkanäle an. Bei den Endplatten sind diese Eintiefungen an der innen liegenden Seite und bei der Zwischenplatte auf beiden Seiten angeordnet. Diese Umlenkbereiche stellen die Verbindung zwischen den Verteilkanalzweigen her.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass innerhalb eines Teilabschnittes die Anzahl der Gruppen der Rahmenelemente keineswegs in jedem Fall mit der Anzahl der Gruppen der Verteilkanalzweige übereinstimmen muss. Allgemein gelten vielmehr die folgenden Beziehungen, wobei die Anzahl der Gruppen der Rahmenelemente M und die Anzahl der Gruppen der Verteilkanäle N sei: M > 2 und N > 2 und N > M. Dabei sind stets die Anströmkanäle der Rahmenelemente der in dem betreffenden Teilabschnitt außen liegenden Zellen (und die zu den betreffenden Gruppen gehörigen übrigen Rahmenelemente) so mit den Verteilkanälen verbunden, dass die elektrische Weglänge durch die Verteilkanäle zwischen den beiden außen liegenden Zellen möglichst groß wird. Im Beispiel der Ausführungsform gemäß Figur 5 bedeutet diese letzte Bedingung, dass die links außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.1 und 5.1 , und die rechts außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.3 und 5.3 aufgebaut sein muss, da nur so die genannte elektrische Weglänge möglichst groß wird. Wenn die Art der Verbindung der Verteilkanalzweige in den Endplatten und in der Zwischenplatte eine andere wäre, würde sich ein anderes Resultat ergeben. Diese Verbindung könnte beispielsweise gemäß den in Figur 9 dargestellten Platten erfolgen. In diesem Fall müsste die links außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.1 und 5.1 , und die rechts außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.2 und 5.2 aufgebaut sein. Die Ausführungsform mit Endplatten gemäß Figur 9 ist sogar vorteilhafter als die Ausführungsform mit Endplatten gemäß Figur 7, da durch die Gestaltung der unteren Endplatte 1 .2 gemäß Figur 9 die elektrische Weglänge größer ist als bei der Endplatte 1.2 gemäß Figur 7. Bei der Art der Verbindung gemäß Figur 9 verlaufen die Verteilkanäle nicht meanderförmig oder serpentinenartig durch den Teilabschnitt, sondern sind eher schneckenförmig bzw. in Form einer langgezogenen Spirale ausgebildet. In jedem Fall sind die Anströmkanäle der Rahmenelemente der im Teilabschnitt außen liegenden Zellen so mit den Verteilkanälen verbunden, dass die elektrische Weglänge durch die Verteilkanäle zwischen den beiden Zellen größer ist als der geometrische Abstand in z-Richtung zwischen diesen beiden Zellen.

Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen mit M=2, weil dann nur zwei unterschiedlich aufgebaute Rahmenelemente benötigt werden. Ausgehend von der Ausführungsform von Figur 5 kann diese Konfiguration dadurch erhalten werden, dass die mittlere Gruppe von Rahmenelemente dadurch eliminiert wird, dass die betreffenden Rahmenelemente gemäß den beiden benachbarten Gruppen (d.h. als 4.1 , 5.1 , 4.3, 5.3) ausgeführt werden. Dass dabei die resultierenden beiden Gruppen eine unterschiedliche Anzahl von Rahmenelementen umfassen, ist unerheblich und lässt sich bei einer ungeraden Zeilenzahl in einem Teilabschnitt nicht vermeiden. Im Resultat umfasst der Teilabschnitt kein Rahmenelement des Typen 4.2 bzw. 5.2 mehr. Außerdem ist kein Rahmenelement mehr mit dem mittleren Verteilkanalzweig verbunden.

Besonders vorteilhaft sind außerdem Ausführungsformen mit ungeradzahligem N (d.h. N=3,5,7... ). Dies liegt daran, dass eine Ausführungsformen mit geradzahligem N im Vergleich mit der Ausführungsform mit N-1 nur eine geringfügig größere elektrische Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle aufweist. Zur beispielhaften Verdeutlichung kann man die Ausführungsform gemäß den Figuren 2 bis 5 heranziehen. Bei dieser ist N=3. Wenn man ausgehend davon eine Ausführungsform mit N=4 ausführen wollte, dann würde man eine weitere Verteilkanalzweiggruppe hinzufügen, so dass die neuen Zweige jeweils an den betreffenden dritten Zweig anschließen. Dazu würde die Zwischenplatte 1.2 einen zusätzlichen Umlenkbereich umfassen. Um das Kriterium der maximalen elektrischen Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle zu erfüllen, müssten die Rahmenelemente 4.3 und 5.3 dahingehend modifiziert werden, dass die Anströmkanäle derselben nicht mehr im dritten, sondern im neuen vierten Zweig münden. Dadurch würde sich die elektrische Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle jedoch nur um den neuen Umlenkbereich in der Zwischenplatte vergrößern. Beim Übergang von N=4 zu N=5 würde sich hingegen die Weglänge erheblich vergrößern, nämlich um den zusätzlichen Umlenkbereich und die gesamte Länge des betreffenden Teilbereichs.

Figur 8 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Verteilkanalzweige die Rahmenelemente nicht durchdringen, sondern außen an den Rahmenelementen (und außen an den zwischen den Rahmenelementen angeordneten Elementen) angeordnet sind. Dazu umfasst der betreffende Teilabschnitt der Zellanordnung zwei Verteilerplatten, von denen eine in Figur 8 mit 10 bezeichnet ist. Die Verteilerplatten erstrecken sich in x-z-Richtung entlang den in y- Richtung außen liegenden Kanten der Zellelemente. Die Verteilkanalzweige werden durch Eintiefungen in den Verteilerplatten gebildet. Die Verbindungsbereiche bzw. Umlenkbereiche der Verteilkanäle können dabei in den Verteilerplatten oder in den Endplatten bzw. Zwischenplatten angeordnet sein. Die Verteilerplatten könnten genauso gut außen entlang der in x-Richtung außen liegenden Kanten der Zellelemente angeordnet sein. Dann müssten die Anströmkanäle selbstverständlich auch anders ausgebildet sein als in Figur 8.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich, wenn die Länge der Umlenkbereiche der Verteilkanäle möglichst groß ausgeführt wird. Dies ist dann möglich, wenn die Umlenkbereiche in den End- und Zwischenplatten angeordnet sind. Ein Beispiel für so ausgeführte End- und Zwischenplatten zeigt Figur 10. Die Umlenkbereiche sind als sich in x-y-Richtung erstreckende Schleifen ausgeführt. Auf diese Weise wird die elektrische Weglänge für den shunt current zwischen den beiden außen liegenden Zellen entlang der Verteilkanäle weiter vergrößert. Zwischenplatten können aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt sein. Dann müssen die Innenwände der Umlenkbereiche in den Zwischenplatten elektrisch passiviert, d.h. mit einer elektrisch nichtleitenden Schicht versehen werden. Zwischenplatten können auch aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt werden. Dann muss dafür gesorgt werden, dass die in z-Richtung an die Zwischenplatte angrenzenden Zellen elektrisch miteinander verbunden sind. Dies kann durch die Zwischenplatten hindurch oder um dieselben herum geschehen.

Wenn die elektrische Verbindung der an die Zwischenplatte angrenzenden Zellen um dieselbe herum erfolgt, dann ist es von Vorteil, wenn der dabei zum Einsatz kommende elektrische Leiter einen Stromsensor umfasst, so dass der durch die Zellanordnung fließende Lade- bzw. Entladestrom mit dem Stromsensor gemessen werden kann. Optional kann eine erfindungsgemäße Zellanordnung Spannungssensoren umfassen, welche so angeordnet sind, dass mit denselben jeweils die elektrische Spannung über die zu einen Teilabschnitt gehörenden Zellen gemessen werden kann. Figur 11 zeigt am Beispiel der Zellanordnung aus Figur 6A die Anordnung der genannten Sensoren. Selbstverständlich soll damit nicht angedeutet werden, dass die Sensoren in der Schnittebene A-A angeordnet sind.

Die einzelnen Elemente einer herkömmlichen Zellanordnung werden mit Hilfe von Zugbolzen miteinander verspannt. Die Zugbolzen greifen dabei an den Endplatten an. Dabei wird an einem Ende der Zugbolzen ein elastisches Element angeordnet, welches für einen gleichmäßigen Zug sorgt, mit dem die Zellanordnung verspannt wird. Dazu werden gewöhnlich Spiral oder Tellerfedern verwendet. Bei Zellanordnungen mit sehr vielen Elementen werden einerseits die Zugbolzen sehr lang und andererseits reicht der Federweg von in Frage kommenden Federn nicht mehr aus, um in jeden Fall einen gleichmäßigen Zug zu gewährleisten.

Mit Hilfe von an Zwischenplatten angreifenden Zugbolzen kann dieses Problem gelöst werden. Figur 12 zeigt beispielhaft eine entsprechende Zellanordnung in schematischer Darstellung. Eine Endplatte ist mit 1 .1 und die Zwischenplatte ist mit 1 .2 bezeichnet. Endplatten und Zwischenplatte ragen in x-Richtung über die übrigen Elemente der Zellanordnung hinaus. Die Zugbolzen, von denen einer mit 1 1 bezeichnet ist, greifen an diesen Überständen an und erstrecken sich zwischen den Endplatten und der Zwischenplatte. Im gezeigten Beispiel sind die oberen Zugbolzen in x-Richtung gegen die unteren Zugbolzen verschoben. Die Verschiebung könnte genauso gut in y- Richtung erfolgen. Außerdem könnten die Überstände auch in y-Richtung über die übrigen Elemente hinausragen. In Vergleich zu herkömmlichen Zellanordnungen ist die Anzahl der Zugbolzen verdoppelt, wodurch sich die Länge der Zugbolzen in etwa halbiert. Auch der benötigte Federweg der Federelemente kann so deutlich verkleinert werden. Das gezeigte Wirkprinzip kann leicht auf Zellanordnungen mit mehr als einer Zwischenplatte übertragen werden. Dabei kommen Zugbolzen zum Einsatz, welche an zwei benachbarten Zwischenplatten angreifen.

Figur 13 zeigt eine erfindungsgemäße Zellanordnung mit drei Teilabschnitten. Es ist nur der Schnitt A-A dargestellt. Wenn die Zellanordnung mehr als zwei Teilabschnitte umfasst, dann sind die Elektrolytanschlüsse der innen liegenden Teilabschnitte an einer Zwischenplatte angeordnet. Auf diese Weise lassen sich Zellanordnungen mit beliebig vielen Teilabschnitten realisieren, da für jeden weiteren Teilabschnitt eine weitere Zwischenplatte eingefügt wird. Es sei erwähnt, dass bei einer erfindungsgemäßen Zellanordnung mit genau zwei Teilabschnitten nicht alle Elektrolytanschlüsse an den Endplatten angeordnet sein müssen. Ein Teil derselben kann auch an der Zwischenplatte angeordnet sein.

In einer Redox-Flow Batterie kann eine erfindungsgemäße Zellanordnung auf unterschiedliche Weise integriert werden. Entweder werden die Teilabschnitte mit Elektrolytflüssigkeit aus einem negativen und einem positiven Tank gespeist. Dann müssen die beiden Kreisläufe wenigstens je eine Verzweigung aufweisen. Von dieser Verzweigung gehen dann pro Teilabschnitt die Zuleitungen zu denselben aus. Die Rückläufe können alle separat in den beiden Tanks münden oder ebenfalls in einer Verzweigung zusammenlaufen. In jedem Fall ist es dann von Vorteil, wenn die Verzweigungen möglichst weit weg von der Zellanordnung angeordnet sind, da dann die shunt currents zwischen den Teilabschnitten minimiert werden können. Alternativ können für jeden Teilabschnitt der Zellanordnung zwei separate Tanks für Elektrolytflüssigkeit vorgesehen sein. Dadurch können shunt currents zwischen den Teilabschnitten komplett unterdrückt werden.

Die erfindungsgemäßen Zellanordnungen gemäß den bisher beschriebenen Ausführungsformen weisen Elektrolytanschlüsse an beiden Endplatten auf. Es gibt jedoch auch Ausführungsformen, bei denen alle Anschlüsse an nur einer Endplatte angeordnet sind. Figur 14 zeigt eine diesbezüglich abgewandelte Ausführungsform ausgehend von der Ausführungsform gemäß Figur 6A und 6B. Dabei werden die Verteilkanäle des rechten Teilabschnittes in der rechten Endplatte nicht nach außen geführt, sondern ein weiteres Mal umgelenkt und dann innen durch die gesamte Zellanordnung hindurch zur linken Abschlussplatte geführt, wo dieselben nach außen münden. Dazu kann die rechte Endplatte aus mehreren einzelnen Platten aufgebaut werden oder mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt sein. Voraussetzung dafür ist, dass ausreichend Platz zur Durchführung des betreffenden Verteilkanals durch die gesamte Zellanordnung zur Verfügung steht. Besonders einfach kann das beschriebene Prinzip ausgeführt werden, wenn N für den betreffenden Teilabschnitt eine gerade Zahl ist, da dann auf eine zusätzliche Umlenkung in der Endplatte ohne Anschlüsse verzichtet werden kann. Im gezeigten Beispiel wäre das der Fall, wenn der rechte Teilabschnitt nur zwei Verteilkanalzweige (N=2) aufweisen würde. Dann müsste für den rechten Teilabschnitt M=2 sein. Es sei erwähnt, dass N und M für die einzelnen Teilabschnitte unterschiedliche Zahlen sein können.

Figur 15 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie die Anschlüsse auf nur einer Endplatte angeordnet werden können. Die in Figur 14 und 15 gezeigten Prinzipien können auch auf Ausführungsformen angewendet werden, bei denen einige der Anschlüsse an einer Zwischenplatte angeordnet sind, so dass auch diese Anschlüsse dann an einer Endplatte angeordnet sind.

Abschließend sei erwähnt, dass aufgrund von Strömungsverlusten in den erfindungsgemäß sehr langen Verteilkanälen die Zellen eines Teilabschnittes, welche entlang der Verteilkanäle weit von den Elektrolyt-Anschlüssen entfernt sind, weniger gut mit Elektrolytflüssigkeit versorgt werden können. Dem kann dadurch entgegengewirkt werden, dass die Querschnitte der Anströmkanäle für die einzelnen Gruppen von Rahmenelementen unterschiedlich groß ausgebildet werden. D.h. die weiter von den Elektrolyt-Anschlüssen entfernten Rahmenelemente haben einen größeren Querschnitt der Anströmkanäle als die weniger weit entfernten. Da die Verteilkanäle in der Regel einen relativ großen Querschnitt aufweisen, ist der beschriebene negative Effekt nicht sehr groß und kann daher meist vernachlässigt werden.

Bezugszeichenliste

1 Endplatte

1.1 Endplatte

1 .2 Zwischenplatte

2 Stromabnehmer

3 Bipolarplatte

4.1 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

4.2 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

4.3 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

5.1 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

5.2 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

5.3 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

6 Membran

7 Verteilkanal

8 Anströmkanal

9 Reaktionsraum

10 Verteilerplatte

11 Zugbolzen

Claims

Patentansprüche

1 . Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie mit einer Vielzahl von Zellelementen umfassend: zwei Endplatten (1 , 1.1), wenigstens eine Zwischenplatte (1.2), zwei Stromabnehmer (2), eine Vielzahl von Bipolarplatten (3), eine Vielzahl von positiven Rahmenelementen (4.1 , 4.2, 4.3) und eine Vielzahl von negativen Rahmenelementen (5.1 , 5.2, 5.3), und wobei jeweils ein positives Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3) und ein negatives Rahmenelement (5.1 , 5.2, 5.3) mit den benachbarten Bipolarplatten (3) eine elektrochemische Zelle bilden, und wobei jedes Rahmenelement (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) einen Reaktionsraum (9) und zwei Anströmkanäle (8) umfasst, und wobei die Zellelemente nebeneinander in einem Stapel angeordnet sind, und wobei die Stapelrichtung die z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems definiert, und wobei die Zellanordnung wenigstens zwei Teilabschnitte umfasst, und wobei jeder Teilabschnitt vier Verteilkanäle (7) und eine Vielzahl von Zellen umfasst, und wobei sich jeder Teilabschnitt zwischen einer Endplatte (1.1 ) und einer Zwischenplatte (1.2) oder zwischen zwei Zwischenplatten (1 .2) erstreckt, und wobei die Anströmkanäle (8) der zum betreffenden Teilabschnitt gehörigen Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) mit den Verteilkanälen (7) des Teilabschnitts verbunden sind, und wobei jeder der Verteilkanäle (7) wenigstens zwei seriell miteinander verbundene Verteilkanalzweige umfasst, und wobei die Anzahl der Verteilkanalzweige in jedem Verteilkanal (7) eines Teilabschnittes gleich ist, und wobei sich jeder der Verteilkanalzweige in z- Richtung wenigstens soweit über den zugehörigen Teilabschnitt erstreckt, wie Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) in dem betreffenden Teilabschnitt angeordnet sind, und wobei die Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) eines Teilabschnittes jeweils wenigstens zwei Gruppen bilden, und wobei die Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) einer Gruppe jeweils so angeordnet sind, dass sie einen Unterabschnitt des betreffenden Teilabschnittes bilden, und wobei die Anströmkanäle (8) der Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) der unterschiedlichen Gruppen mit unterschiedlichen Verteilkanalzweigen verbunden sind, und wobei die Anströmkanäle (8) der positiven Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3) derselben Gruppe mit denselben Verteilkanalzweigen verbunden sind, und wobei die Anströmkanäle (8) der negativen Rahmenelemente (5.1 , 5.2, 5.3) derselben Gruppe mit denselben Verteilkanalzweigen verbunden sind, und wobei die Anströmkanäle (8) der Rahmenelemente (4.1 , 5.1 ) einer ersten an einem Ende eines Teilabschnittes angeordneten Zelle und die Anströmkanäle (8) der Rahmenelemente (4.3, 5.3) einer zweiten am anderen Ende desselben Teilabschnittes angeordneten Zelle so mit den Verteilkanälen verbunden sind, dass eine elektrische Weglänge eines Nebenschlussstromes durch die Verteilkanäle zwischen der ersten und der zweiten Zellegrößer ist als der geometrische Abstand in z-Richtung zwischen der ersten und der zweiten Zelle. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach Anspruch 1 , wobei die Verteilkanalzweige alle Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) eines Teilabschnittes durchdringen. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach Anspruch 1 , wobei die Zellanordnung pro Teilabschnitt zwei Verteilerplatte (10) umfasst, welche sich jeweils außen entlang zwei gegenüberliegenden Kanten der Zellelemente des betreffenden Teilabschnittes erstrecken, und wobei die Verteilkanalzweige durch Eintiefungen in den Verteilerplatten (10) gebildet werden. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zu einem Verteilkanal (7) gehörigen Verteilkanalzweige durch Umlenkbereiche verbunden werden, welche in den Endplatten (1 , 1.1 ) und in der wenigstens einen Zwischenplatte (1.2) angeordnet sind. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach Anspruch 4, wobei die Umlenkbereiche als sich in x-y-Richtung erstreckende Schleifen ausgebildet sind. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zellanordnung eine Vielzahl von Zugbolzen (11 ) umfasst, und wobei wenigstens ein Teil der Zugbolzen (11 ) an einer Endplatte (1 , 1.1 ) und einer Zwischenplatte (1.2) angreift. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzahl der Gruppen der Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) zwei beträgt. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzahl der Verteilkanalzweige in jedem Verteilkanal (7) eine ungerade Zahl ist. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Gruppen von Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) einen unterschiedlich großen Querschnitt der Anströmkanäle (8) aufweisen, um eine ausgeglichene Versorgung der Rahmenelemente (4.1 , 4.2, 4.3, 5.1 , 5.2, 5.3) mit Elektrolytflüssigkeit zu gewährleisten. Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein elektrischer Leiter die an eine Zwischenplatte (1 .2) angrenzenden Zellen miteinander verbindet, und wobei der elektrische Leiter um die Zwischenplatte herum verläuft, und wobei die Zellanordnung einen Stromsensor umfasst, welcher in dem elektrischen Leiter angeordnet ist. Redox-Flow Batterie mit einer Zellanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Redox-Flow Batterie einen negativen und einen positiven Tank umfasst, und wobei alle Teilabschnitte aus diesen beiden Tanks gespeist werden. Redox-Flow Batterie mit einer Zellanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Redox-Flow Batterie pro Teilabschnitt einen separaten negativen und einen separaten positiven Tank zur Speisung der einzelnen Teilabschnitte umfasst.