AT510250A1 - Rahmen einer zelle einer redox-durchflussbatterie - Google Patents

Description

» ·

FW-3358 AT

Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie

Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterie, in dem in einer Stirnfläche ein Verteilkanal zum Zu- oder Abführen von Flüssigkeit zur Zelle vorgesehen ist und im Rahmen weiters eine Öffnung vorgesehen ist, in die der Ver-5 teilkanal mündet und wobei sich der Verteilkanal über die gesamte Seitenlänge der Öffnung erstreckt und im Verteilkana! zur Öffnung hin eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Stege angeordnet sind.

Eine bekannte Ausführungsart einer Redox-Durchflussbatterie 50 bzw. eines Stacks 32 einer Redox-Durchflussbatterie 50 ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Die Zellen 30 eines sol-10 chen Stacks 32 bestehen in der Regel aus zwei nebeneinander liegenden Halbzellen 30a, 30b, wobei jede Halbzelle 30a, 30b aus je einem Rahmen 1 gebildet ist, der eine Öffnung 8 aufweist, in der jeweils eine Elektrode 20 angeordnet ist und wobei die Halbzelle 30a, 30b zumindest im Bereich der Öffnung 8 durch eine semipermeable Membran 24 getrennt sind. Die erste Halbzelle 30a einer Zelle 30 wird von einer ersten Elektrolytflüssigkeit durchströmt 15 und die zweite Halbzelle 30b dieser Zelle von einer zweiten Elektrolytflüssigkeit, wobei durch elektro-chemische Vorgänge elektrischer Strom erzeugt wird, der über elektrische Anschlüsse 48 an den Endplatten 46 des Stacks 32 abgegriffen werden kann. Bei einigen Typen von Redox-Durchflussbatterien 50, wie z.B, ein Vanadium-Redox-Durchflussbatterie oder einer Vanadium/Polyhalid-Batterie, sind die beiden Elektrolytflüssigkeiten chemisch weitgehend 20 ähnlich bzw. weisen nur einen anderen Oxidationszustand auf (z.B. V2+ und V3\ V02+ und VO2*). Dieser Vorgang kann auch umgekehrt werden, womit die Elektrolytflüssigkeit (bzw. die Batterie) geladen wird. Mehrere solche Zellen 30 werden in einer Redox-Durchflussbatterie 50 zu einem Stack 32 zusammengefasst, indem die einzelnen Zellen 30 nebeneinander angeordnet werden, um eine höhere Leistung bzw. Spannung zu erreichen. Die ein-25 zelnen Zellen 30 werden dabei durch bipolare Platten 22 voneinander getrennt. Die beiden Elektrolytflüssigkeiten mit unterschiedlichem Ladungszustand werden über Anschlüsse 47 in den Endplatten 46 zu- bzw. abgeführt und durch Bohrungen 2, 3 in den Rahmen 1 durch die Zellen 30 durchgeführt. Die Zellen 30 werden zwischen den beiden Endplatten 46 bzw. den daran anliegenden Druckplatten 45 angeordnet und können durch durchreichende Bolzen 30 40, die mittels Muttern 42, Beilagscheiben 43 und Federn 41 verspannt werden, aneinander gepresst werden. In einer Redox-Durchflussbatterie 50 können auch mehrere Stacks 32 zusammengefasst werden. Solche Anordnungen sind in unterschiedlichsten Ausführungen hinlänglich bekannt. Für einen guten Wirkungsgrad bzw. einer hohen Energieeffizienz einer Redox-Durchfluss-35 batterie ist es wichtig, dass die Strömungsverluste der umgewälzten Elektrolytflüssigkeiten -1- • * · » · · ι · * ♦ ·*·«·*· · · • * · · * · » · · • t « · · · « 4 ♦* «· * · · ·· · · * ·

FW-3358 AT (und damit die damit verbundene Pumpleistung) nieder sind und dass sich die Elektrolytflüssigkeiten gleichmäßig in den Zellen bzw. in den darin angeordneten Elektroden verteilen. Der Zu- und Abführung der Elektrolytflüssigkeiten in und aus der Zelle (bzw. der Halbzelle) kommt daher eine entscheidende Rolle zu. Weiters soll die Selbstentladung im Stack in Grenze gehalten werden.

Aus der EP 814 527 A2 ist ein Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterien bekannt, der die obigen Anforderungen erfüllen soll. Dazu sind im Rahmen eine Reihe von nebeneinander angeordneten Ausnehmungen vorgesehen, durch die die Elektrolytflüssigkeiten durch die Zellen geführt werden. Von diesen Ausnehmungen führen eine Vielzahl von kleinen Kanälen zur die Elektrode aufnehmenden Öffnung im Rahmen. Somit wird die Elektrolytflüssigkeit nur an wenigen Stellen durch sehr enge Kanäle zu- und abgeführt. Um die obigen Anforderungen an eine gleichmäßige Verteilung und geringe Strömungsverluste zu erfüllen, werden bestimmte Verhältnisbereiche der Dimensionen der Strömungskanäle und der Elektrode angegeben. Die Selbstentladung, hervorgerufen durch Shuntströme, wird ebenfalls gleichzeitig durch diese Verhältnisse reduziert, da sehr enge Strömungswege vorgesehen sind, was zu geringen Shuntströmen führt. Ein solcher Rahmen hat aber doch erhebliche Nachteile. Zum einen muss für eine gleichmäßige Verteilung der Eiektrolytflüssigkeit zwischen Elektrode und Rahmen ein Spalt gelassen werden, in dem sich die Eiektrolytflüssigkeit verteilt. Dadurch muss die Elektrode kleiner als möglich gemacht werden oder der Rahmen muss größer als notwendig gemacht werden. Weiters kann die Elektrode in der zu großen Öffnung verrutschen, wodurch die gleichmäßige Verteilung der Eiektrolytflüssigkeit zumindest gestört werden kann. Außerdem sind die wenigen engen Zu- und Abführkanäle anfällig gegen Verstopfung, da sich mit der Zeit Material, wie z.B. ausgeschwemmte Fasern, aus den Elektroden lösen und die Kanäle verlegen kann.

Aus der AT 501 902 A4 und der AT 501 903 A4 sind jeweils Rahmen einer Zelle einer Re-dox-Durchflussbatterie bekannt, bei denen die Eiektrolytflüssigkeit über entlang einer Seite der Öffnung angeordnete Verteilkanäle zu- bzw. abgeführt und darin verteilt wird. Damit kann bei einem solchen Rahmen die Elektrode die gesamte Öffnung ausfüllen. Die Stege verhindern dabei, dass die Elektrode in den Verteilkanal rutscht oder in diesen hineinverformt wird, was eine ungleichmäßige Verteilung der Eiektrolytflüssigkeit bewirken würde, und dass aus der Elektrode ausgeschwemmtes Material, wie z.B. Fasern, in den Elektrolytflüssigkeitskreislauf gelangen.

Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, einen Rahmen einer Zelle einer Redox-Durchflussbatterien anzugeben, der ohne die Nachteile des Standes der Technik einerseits niedrige strömungsbedingte Druckverluste und andererseits eine gleichmäßige Verteilung der Eiektrolytflüssigkeit in der Zelle sicherstellt. -2- »

FW-3358 AT

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem das Verhältnis der durch die Stege festgelegten freien Strömungsfläche zwischen Verteilkanal und Öffnung zur Projekt!-onsfläche der Öffnung in Strömungsrichtung zwischen 0,1 und 0,95 bevorzugt zwischen 0,15 und 0,7 und ganz besonders vorteilhaft zwischen 0,2 und 0,5, definiert wird. Dadurch entstehen großen Strömungsquerschnitte, womit die strömungsbedingten Druckverluste erheblich reduziert werden können. Die Stege im Verteilkanal sorgen gleichzeitig dafür, dass keine Probleme durch zu enge Zuström- bzw. Abströmkanäle entstehen. Wird ein Zwischenraum zwischen zwei Stegen verlegt, so verändert das die gesamten Strömungsverhältnisse nur unwesentlich. Die gleichmäßige Verteilung der Elektrolytflüssigkeit in der Zelle bzw. in der Elektrode wird durch den Verteilkanal sichergestellt, der sich entlang der gesamte Seitenlänge der Öffnung erstreckt.

Wenn ein Kana! vorgesehen ist, der mit einem Ende in den Verteilkanal mündet und mit dem anderen Ende mit einer Elektrolytflüssigkeitsversorgung verbunden ist, und das Verhältnis zwischen der Länge des Kanals und dessen Querschnitt zwischen 2 und 200, bevorzugt zwischen 10 und 100 und ganz besonders vorteilhaft zwischen 15 und 50, liegt, also der Kanal im Verhältnis zum Querschnitt lang ist, dann können Shuntströme und damit auch die Selbstentladung reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 5 beschrieben, die jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rahmens in einer Grundsicht,

Fig. 2 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Rahmen entlang der Linie l-l,

Fig. 3 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Rahmen entlang der Linie ll-ll und Fig. 4 und 5 eine Darstellung eines Stacks einer Redox-Durchflussbatterie bzw. eine Detailansicht daraus.

Zur Beschreibung der Merkmale eines erfindungsgemäßen Rahmens 1 wird im Folgenden auf die Fig. 1 Bezug genommen. Der Rahmen 1 ist aus einem Elastomer, wie z.B. ein polyolefinisch thermoplastisches Elastomer (TPE oder TPO), wie z.B. Santoprene, oder ein thermoplastisches Vulkanat (TPV), gefertigt, insbesondere in einem Spritzgießverfahren. Das Rahmenmaterial weist z.B. eine Härte im Bereich von 40 - 95 Shore A, bevorzugt 60-75 Shore A, auf. Im Rahmen 1 ist in seiner Mitte eine Öffnung 8 vorgesehen, in der eine Elektrode 20, z.B. eine Matte aus Kohlenstofffasern, angeordnet werden kann (siehe Fig. 5). Um die Öffnung 8 herum kann eine Vertiefung 7 vorgesehen sein, in der eine bipolare Platte 22 angeordnet werden kann (siehe Fig. 5). Ein solcher Rahmen 1 mit Elektrode 20 bildet dabei -3- * · * * * * · I · * *·»···· I » * · · « · t · « ·

·..·*..* : FW-3358 AT eine Halbzelle 30a, 30b einer Zelle 30 eines Stacks 32 einer Redox-Durchflussbatterie 50, wie oben beschrieben.

Der Rahmen 1 weist weiters durchgehende Bohrungen 2a, 3a auf, durch die zur Elektrolytflüssigkeitsversorgung bzw. Elektrolytflüssigkeitsabfuhr der Zellen 30 Elektrolytflüssigkeit 5 durch den Stack 32 gepumpt wird. Die Bohrung 2a dient dabei beispielsweise als Zufuhr und die Bohrung 3a als Abfuhr für eine erste Elektrolytflüssigkeit einer Halbzelle. Eine zweite Elektrolytflüssigkeit wird durch die durch den Rahmen 1 durchgehenden Bohrungen 2b, 3b geführt. In einer Stirnfläche S des Rahmens 1 sind Kanäle 4,5 angeordnet, wobei ein Kanal 4 mit einem Ende zur Elektrolytflüssigkeitsversorgung mit der Zuführbohrung 2a verbunden 10 ist und einen Zuführkanal bildet. Der zweite Kanal 5 ist diametral gegenüber angeordnet und zur Elektrolytflüssigkeitsabfuhr mit der Abführbohrung 3a verbunden und bildet einen Abführkanal. Die Kanäle 4, 5 können auch im als Dichtfläche vorgesehenen Teil der Stirnfläche S angeordnet sein. Die nachfolgende Beschreibung des Kanals 4 für die Zuführung gilt für den Kanal 5 für die Abführung der Elektrolytflüssigkeit gleichermaßen. Allerdings ist es natürlich 15 auch möglich, den Zu- und Abführkanal unterschiedlich auszugestalten.

Der Kanal 4 ist zur Stirnfläche S hin offen und erstreckt vorteilhaft sich in einer Ebene parallel zur Stirnfläche S und mündet in einen Verteilkanal 9, der entlang einer Seite der Öffnung 8 angeordnet ist und der zur Öffnung 8 hin durch eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Stege 10 begrenzt ist. Die Stege 10 erstrecken sich bevorzugt vom Boden des Verteilkanals 20 9 bis zur Oberkante der Vertiefung 7 bzw, bis zur Stirnfläche S, können sich aber auch nur über einen Teil dieser Höhe erstrecken. Die Stege 10 sollen dabei im Wesentlichen verhindern, dass die Elektrode in den Verteilkanal 9 rutscht oder in diesen hineinverformt wird, was eine ungleichmäßige Verteilung der Elektrolytflüssigkeit bewirken würde, und dass aus der Elektrode ausgeschwemmtes Material, wie z.B. Fasern, in den Elektrolytflüssigkeitskreislauf 25 gelangen oder den Kanal 4 verlegen.

Die Elektrolytflüssigkeit wird also über die Zuführbohrung 2a zugeführt, gelangt von dort über den Kanal 4 in den Verteilkanal 9, wird dort gleichmäßig verteilt und fließt weiter zur in der Öffnung 8 angeordneten Elektrode 20. Die Elektrolytflüssigkeit strömt durch die Elektrode 20, wird an der gegenüberliegenden Seite über einen weiteren, bevorzugt gegenüber liegenden 30 Verteilkanal 9 gesammelt und wird über den Abführkanal 5 und der Abführbohrung 3a wieder abgeführt.

Um die strömungsbedingten Druckverluste gering zu halten, ist vorgesehen, dass das Verhältnis von freier Strömungsfläche Fi zwischen den Stegen 10 für die Zuströmung zur (bzw. Abströmung von der) Zelle zur Projektionsfläche FE der Elektrode in Strömungsrichtung zwi-35 sehen 0,1 und 0,95, bevorzugt zwischen 0,15 und 0,7 und ganz besonders vorteilhaft zwi- -4- • · * * « * · · Φ Φ ·· Φ * ·φ φ φ φ φ· # φ Φ · φ # φ φφ Φ ·« ι FW-3358 ΑΤ sehen 0,2 und 0,5, liegt, wie in Fig. 2 dargesteilt. Die freie Strömungsfläche F( ist dabei die durch die Stege 10 festgelegte Summe der Flächen Fm, Fi2, ... Fin zwischen den Stegen 10 im Verteilkanal 9, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Projektionsfläche FE der Öffnung 8 in Strö-mungsrichtung ist hier festgelegt durch die Seitenlänge L der Öffnung und der Höhe H der i? Öffnung, FE = LxH. Es gilt somit !Fr =[ö,l; 0,95]. Im Falle einer Vertiefung 7 zur Auf- nähme einer bipolaren Platte 22 ist die Höhe H nicht gleich der Höhe des Rahmens 1 sondern um die Tiefe der Vertiefung 7 kleiner. Im zusammengebauten Zustand, in dem in der Öffnung 8 eine Elektrode 20 angeordnet ist, entspricht die Projektionsfläche FE der Öffnung 8 in Strömungsrichtung der Projektionsfläche der Elektrode 20 in Strömungsrichtung, da die Elektroden 20 in den Halbzellen 30a, 30b hingepresst werden. Für den Verteilkanal 9 der

Abströmung gelten die obigen Ausführungen analog, also ^Fojl FE = [θ,1; 0,95], mit F0 als /-1 freie Strömungsfläche der Abströmung. Bevorzugt werden die Strömungsverhältnisse an der Zu- und Abströmseite gleich gemacht.

Um die Shuntströme und damit die Selbstentladung zu reduzieren, kann so wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, vorgesehen sein, dass der Kanal 4 zur Zuströmung bzw. der Kanal 5 zur Abströmung im Vergleich zum Querschnitt FK mit großer Länge K ausgeführt wird, wie aus den Figs. 1 und 3 hervorgeht. Bevorzugt wird der Kanal 4 zur Zuströmung und/oder der Kanal 5 zur Abströmung so dimensioniert, dass das Verhältnis zwischen Länge K des Kanals 4, 5 und dessen Querschnitt FK (bzw. durchschnittlichen Querschnitt) zwischen 2 und 200, besonders vorteilhaft zwischen 10 und 100 und ganz besonders vorteilhaft zwischen 15 und 50, liegt.

Um das Aneinanderreihen mehrerer solcher Rahmen 1 zu Zellen 30 und zu Stacks 32 einer Redox-Durchflussbatterie 50 zu erleichtern, sind weiters am Rahmen 1 eine Reihe von von den Stirnflächen S abstehenden Noppen 12, 14 und zugehörige in den Stirnflächen S eingearbeiteten Ausnehmungen 13, 15 vorgesehen, die somit eine einfache Zentrierung der bipolaren Platten 22 und zweier benachbarter Rahmen 1 und/oder von Teilen einer Halbzelie 30a, 30b und dem Rahmen 1 ermöglichen. Die den Kanälen 4, 5 abgewandte Stirnseite des Rahmens 1 ist hier, mit Ausnahme von eventuell vorhandenen Noppen 12, 14 oder Ausnehmungen 13, 15, im Wesentlichen eben ausgeführt. -5-

Claims (2)

1. * · · · · · · I « I *«···*· I · ····* « t · · • · · ·« * Φ Μ* I FW-3358 ΑΤ Patentansprüche 1. Rahmen einer Zelle (30) einer Redox-Durchflussbatterie, in dem in einer Stirnfläche (S) ein Verteilkanal (9) zum Zu- oder Abführen von Elektrolytflüssigkeit zur Zelte (30) vorgese- 5 hen ist und im Rahmen (1) weiters eine Öffnung (8) vorgesehen ist, in die der Verteilkanal (9) mündet und wobei sich der Verteilkanal (9) über die gesamte Seitenlange der Öffnung (8) erstreckt und im Verteilkanal (9) zur Öffnung (8) hin eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Stege (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der durch die Stege (10) festgelegten freien Strömungsfläche (Fit F0) zwischen Verteilkanal (9) und 10 Öffnung (8) zur Projektionsfläche (Fe) der Öffnung (8) in Strömungsrichtung zwischen 0,1 und 0,95, bevorzugt zwischen 0,15 und 0,7 und ganz besonders vorteilhaft zwischen 0,2 und 0,5, ist.
2. 2. Rahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (4, 5) vorgesehen ist, der mit einem Ende in den Verteilkanal (9) mündet und mit dem anderen Ende mit 15 einer Elektrolytflüssigkeitsversorgung oder Elektrolytflüssigkeitsabfuhr verbunden ist, und das Verhältnis zwischen der Länge (K) des Kanals (4, 5) und dessen Querschnitt (FK) zwischen 2 und 200, bevorzugt zwischen 10 und 100 und ganz besonders vorteilhaft zwischen 15 und 50, liegt. -6-