DE102022106049A1

DE102022106049A1 - Flow frame for an electrochemical cell

Info

Publication number: DE102022106049A1
Application number: DE102022106049.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Martin; Andreas Schiegl; Marcel Beirow; Lars Kühnle; Christian Teufel
Original assignee: J Schmalz GmbH
Current assignee: J Schmalz GmbH
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2023-09-21
Also published as: WO2023174602A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flussrahmen (10) für eine Zelle einer Redox-Flow-Batterie, wobei der Flussrahmen (10) wenigstens zwei Flussrahmensegmente (52-1, 52-2) umfasst, welche entlang einer Rahmenachse (54) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Flussrahmensegmente jeweils ein Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) zur Aufnahme einer Elektrode definieren, und wobei die Flussrahmensegmente jeweils ein Zuführkanalsystem (16-1, 16-2) zur Zuführung von Elektrolyt in das Elektrodenraumsegment und ein Rückführkanalsystem (18-1, 18-2) zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraumsegment umfassen, wobei das Zuführkanalsystem einen Fluidanschluss (20-1, 20-2) umfasst, welcher mit dem Elektrodenraumsegment über Zuführkanalstrukturen (22-1, 22-2) fluidisch verbunden ist, und wobei das Rückführkanalsystem einen Fluidanschluss (24-1, 24-2) umfasst, welcher mit dem Elektrodenraumsegment über Rückführkanalstrukturen (26-1, 26-2) fluidisch verbunden ist.The invention relates to a flow frame (10) for a cell of a redox flow battery, wherein the flow frame (10) comprises at least two flow frame segments (52-1, 52-2), which are arranged next to one another along a frame axis (54), wherein the flow frame segments each define an electrode space segment (58-1, 58-2) for receiving an electrode, and the flow frame segments each define a feed channel system (16-1, 16-2) for supplying electrolyte into the electrode space segment and a return channel system (18-1 , 18-2) for returning electrolyte from the electrode space segment, the feed channel system comprising a fluid connection (20-1, 20-2) which is fluidly connected to the electrode space segment via feed channel structures (22-1, 22-2), and wherein the return channel system comprises a fluid connection (24-1, 24-2) which is fluidly connected to the electrode space segment via return channel structures (26-1, 26-2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Flussrahmen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Redox-Flow-Batterie-Stack. Die Erfindung betrifft auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere Redox-Flow-BatterieZelle.The invention relates to a flow frame for an electrochemical cell, in particular for a redox flow battery stack. The invention also relates to an electrochemical cell, in particular a redox flow battery cell.

Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher mit fließfähigen, insbesondere flüssigen, Speichermedien, in denen ein redox-aktives Material bzw. eine redox-aktive Substanz in einem flüssigen Elektrolyten gelöst ist. Die Elektrolyten (je nach Polarität Anolyt bzw. Katholyt genannt) werden separat bereitgestellt, z.B. in separaten Tanks gelagert und bei Bedarf einer elektrochemischen Energiewandlereinheit (der sog. Zelle der Redox-Flow-Batterie) für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt. Beim Lade- bzw. Entladeprozess werden die redox-aktiven Materialien in der Zelle in getrennten Halbzellen oxidiert bzw. reduziert. Hierbei wird beim Entladeprozess chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und beim Ladeprozess elektrische Energie in chemische Energie zurück umgewandelt. Ein Vorteil von Redox-Flow-Batterien besteht insbesondere darin, dass Leistung (Anzahl und Größe der elektrochemischen Energiewandler/Zellen) und Kapazität (Elektrolytvolumen, Größe und Anzahl der Tanks) unabhängig voneinander einstellbar sind, sodass zentrale und dezentrale Speichersysteme im Maßstab von wenigen Kilowatt bis Megawatt realisierbar sind.Redox flow batteries are electrochemical energy storage devices with flowable, in particular liquid, storage media in which a redox-active material or a redox-active substance is dissolved in a liquid electrolyte. The electrolytes (called anolyte or catholyte depending on polarity) are provided separately, e.g. stored in separate tanks and, if necessary, fed to an electrochemical energy conversion unit (the so-called cell of the redox flow battery) for the charging or discharging process. During the charging or discharging process, the redox-active materials in the cell are oxidized or reduced in separate half-cells. Chemical energy is converted into electrical energy during the discharging process and electrical energy is converted back into chemical energy during the charging process. A particular advantage of redox flow batteries is that performance (number and size of electrochemical energy converters/cells) and capacity (electrolyte volume, size and number of tanks) can be adjusted independently of one another, allowing centralized and decentralized storage systems on a scale of a few kilowatts up to megawatts can be achieved.

Eine Redox-Flow-Batterie umfasst üblicherweise eine Vielzahl von baugleichen Zellen, welche fluidisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Zellen sind insbesondere zu einem Stapel, dem sog. Zellstack, zusammengefügt und über ein Verspannsystem verpresst und ggf. mittels Zugankern verspannt. Das Verspannsystem umfasst üblicherweise Endplatten bspw. aus Kunststoff und/oder Nichteisenmetallen wie Aluminium, zwischen denen die Einzelzellen angeordnet sind. Zusätzlich kann das Verspannsystem Isolierplatten zur Trennung der stromführenden Einzelzellen von den Endplatten, Stromabnehmer mit elektrischen Anschlüssen zur Ableitung bzw. Zuführung des Lade- oder Entladestroms sowie Medienanschlüsse für die Zu- und Abführung des Elektrolyten (Anolyt/Katholyt) aufweisen.A redox flow battery usually includes a large number of identical cells, which are fluidically connected in parallel and electrically in series. The cells are in particular assembled into a stack, the so-called cell stack, and pressed using a bracing system and, if necessary, braced using tie rods. The bracing system usually includes end plates, for example made of plastic and/or non-ferrous metals such as aluminum, between which the individual cells are arranged. In addition, the bracing system can have insulating plates for separating the current-carrying individual cells from the end plates, current collectors with electrical connections for discharging or supplying the charging or discharging current as well as media connections for supplying and discharging the electrolyte (anolyte/catholyte).

Zur elektrischen Verbindung der Einzelzellen untereinander ist zwischen zwei Einzelzellen üblicherweise eine sogenannte Bipolarplatte, bspw. aus einem Graphit-Kunststoff-Komposit-Material, angeordnet. Jede Einzelzelle ist wiederum aus zwei Halbzellen aufgebaut, die durch eine ionenleitende Membran getrennt sind.To electrically connect the individual cells to one another, a so-called bipolar plate, for example made of a graphite-plastic composite material, is usually arranged between two individual cells. Each individual cell is made up of two half cells that are separated by an ion-conducting membrane.

Die Halbzellen umfassen ihrerseits jeweils einen Flussrahmen und eine Elektrode, welche üblicherweise in einer Rahmenöffnung des Flussrahmens angeordnet ist. Die Rahmenöffnung bildet insofern einen Elektrodenraum zur Aufnahme einer Elektrode und definiert den eigentlichen Wirkraum bzw. Wirkfläche der Halbzelle, also den aktiven Bereich, in dem die elektrochemischen Prozesse ablaufen. Darüber hinaus umfassen die bekannten Flussrahmen in der Regel ein integriertes Zuführkanalsystem zur Zuführung von Elekytrolyt in den Elektrodenraum und ein Rückführkanalsystem zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraum. Diese Kanalsysteme umfassen üblicherweise einen Fluidanschluss (Primärkanal), bspw. in Form eines Durchgangslochs in dem Flussrahmen, von dem ein Einzelkanal (Sekundärkanal) abgeht, welcher schließlich über fächerförmig oder kammförmig ausgestaltete Verteilerstrukturen in den Elektrodenraum einmündet. Ein derartiger Flussrahmen ist beispielsweise aus US 2018/0062188 A1 bekannt.The half cells in turn each comprise a flow frame and an electrode, which is usually arranged in a frame opening of the flow frame. In this respect, the frame opening forms an electrode space for receiving an electrode and defines the actual effective space or effective area of the half cell, i.e. the active area in which the electrochemical processes take place. In addition, the known flow frames generally include an integrated feed channel system for feeding electrolyte into the electrode space and a return channel system for returning electrolyte from the electrode space. These channel systems usually include a fluid connection (primary channel), for example in the form of a through hole in the flow frame, from which an individual channel (secondary channel) extends, which ultimately opens into the electrode space via fan-shaped or comb-shaped distribution structures. Such a flow frame is, for example US 2018/0062188 A1 known.

Bei den bekannten Systemen kommt es jedoch regelmäßig zu hohen Druckabfällen über den Primär- und Sekundärkanal, was insbesondere bei großen Wirkräumen und damit einhergehenden hohen Elektrolyt-Volumenströmen die Effizienz eines Redox-Flow-Batterie-Stacks und der gesamten Redox-Flow-Batterieanlage begrenzen kann. Zudem ist bei den bekannten Systemen oftmals eine Verteilung des Elektrolyten in dem Wirkraum ungleichmäßig, was sich ebenfalls negativ auf die Leistung der Batterie auswirken kann.However, in the known systems there are regularly high pressure drops across the primary and secondary channels, which can limit the efficiency of a redox flow battery stack and the entire redox flow battery system, particularly in the case of large effective spaces and the associated high electrolyte volume flows . In addition, in the known systems, the distribution of the electrolyte in the effective space is often uneven, which can also have a negative effect on the performance of the battery.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, Redox-Flow-Batterien mit großen effektiven Wirkräumen einfach herstellbar und effizient betreibbar auszugestalten. Insbesondere sollen hohe Elektrolyt-Volumenströme homogen und effizient durch die Wirkräume geleitet werden können. Zudem ist eine flexible Skalierung der Redox-Flow-Batterie wünschenswert.The present invention is concerned with the task of designing redox flow batteries with large effective effective spaces that are easy to manufacture and operate efficiently. In particular, high electrolyte volume flows should be able to be conducted homogeneously and efficiently through the effective spaces. Flexible scaling of the redox flow battery is also desirable.

Diese Aufgabe wird durch einen Flussrahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Flussrahmen ist für eine Verwendung in einer elektrochemischen Zelle ausgebildet, insbesondere für eine Verwendung in einer Zelle einer Redox-Flow-Batterie.This task is solved by a flow frame with the features of claim 1. The flow frame is designed for use in an electrochemical cell, in particular for use in a cell of a redox flow battery.

Der Flussrahmen umfasst wenigstens zwei Flussrahmensegmente, welche entlang einer Rahmenachse nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere kann der Flussrahmen aus den wenigstens zwei Flussrahmensegmenten modular zusammengesetzt sein.The flow frame comprises at least two flow frame segments, which are arranged next to one another along a frame axis. In particular, the flow frame can be modularly composed of the at least two flow frame segments.

Jedes dieser Flussrahmensegmente definiert ein Elektrodenraumsegment zur Aufnahme einer Elektrode oder eines Elektrodensegments. Die Elektrodenraumsegmente bilden insofern in ihrer Gesamtheit den eigentlichen Wirkraum des Flussrahmens.Each of these flow frame segments defines an electrode space segment for receiving an electrode or an electrode segment. The electrode space segments in their entirety form the actual effective space of the flow frame.

Außerdem umfasst jedes Flussrahmensegment ein in dem Flussrahmensegment ausgebildetes Zuführkanalsystem zur Zuführung von Elektrolyt in das Elektrodenraumsegment dieses Flussrahmensegments und ein in dem Flussrahmensegment ausgebildetes Rückführkanalsystem zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraumsegment. Der Flussrahmen umfasst insofern wenigstens zwei Zuführkanalsysteme und wenigstens zwei Rückführkanalsysteme.In addition, each flow frame segment includes a feed channel system formed in the flow frame segment for feeding electrolyte into the electrode space segment of this flow frame segment and a return channel system formed in the flow frame segment for returning electrolyte from the electrode space segment. The flow frame therefore comprises at least two supply channel systems and at least two return channel systems.

Das Zuführkanalsystem eines jeweiligen Flussrahmensegments umfasst einen Fluidanschluss (Primärkanal), über welchen dem Flussrahmensegment Elektrolyt zugeführt werden kann. Der Fluidanschluss ist über Zuführkanalstrukturen mit dem Elektrodenraumsegment des Flussrahmensegments fluidisch verbunden. Die Zuführkanalstrukturen münden insofern in den Elektrodenraum ein. Das Rückführkanalsystem eines jeweiligen Flussrahmensegments umfasst ebenfalls einen Fluidanschluss (Primärkanal), über welchen Elektrolyt aus dem Flussrahmensegment abgeführt werden kann. Der Fluidanschluss ist über Rückführkanalstrukturen mit dem Elektrodenraumsegment dieses Flussrahmensegments fluidisch verbunden. Die Fluidanschlüsse sind insofern insbesondere derart über die Kanalstrukturen (Zuführkanalstrukturen bzw. Rückführkanalstrukturen) mit dem Elektrodenraumsegment verbunden, dass über die Kanalstrukturen Elektrolyt dem Elektrodenraumsegment, insbesondere einer darin angeordneten Elektrode, zugeführt und aus diesem wieder abgeführt werden kann.The supply channel system of a respective flow frame segment includes a fluid connection (primary channel), via which electrolyte can be supplied to the flow frame segment. The fluid connection is fluidly connected to the electrode space segment of the flow frame segment via supply channel structures. The feed channel structures thus open into the electrode space. The return channel system of a respective flow frame segment also includes a fluid connection (primary channel), via which electrolyte can be removed from the flow frame segment. The fluid connection is fluidly connected to the electrode space segment of this flow frame segment via return channel structures. The fluid connections are in particular connected to the electrode space segment via the channel structures (supply channel structures or return channel structures) in such a way that electrolyte can be supplied to the electrode space segment, in particular an electrode arranged therein, and removed from it again via the channel structures.

Bei einem solchen Flussrahmen ist insofern eine Mehrzahl von Kanalsystemen zur Zuführung bzw. Rückführung von Elektrolyt vorgesehen, sodass ein Gesamt-Elektrolyt-Volumenstrom auf mehrere Kanäle aufgeteilt ist (segmentierte Fluidführung). Hierdurch kann ein Gesamtdruckabfall zwischen den Fluidanschlüssen und dem Elektrodenraum (Wirkraum) reduziert werden, sodass auch hohe Elektrolyt-Volumenströme effizient durch den Elektrodenraum geleitet werden können. Beispielsweise kann der Peripherie-Energiebedarf eines Redox-Flow-Batteriesystems und somit der Gesamtenergieverbrauch reduziert werden, da durch den reduzierten Druckabfall geringere Pumpendrücke erforderlich sind, um Elektrolyt durch den Wirkraum zu pumpen. Gleichzeitig wird durch die segmentierte Fluidführung über eine Mehrzahl von Kanalsystemen eine homogenere Elektrolytverteilung in dem Elektrodenraum begünstigt.In such a flow frame, a plurality of channel systems are provided for supplying or returning electrolyte, so that a total electrolyte volume flow is divided into several channels (segmented fluid guidance). This allows a total pressure drop between the fluid connections and the electrode space (effective space) to be reduced, so that even high electrolyte volume flows can be conducted efficiently through the electrode space. For example, the peripheral energy requirement of a redox flow battery system and thus the overall energy consumption can be reduced because the reduced pressure drop means that lower pump pressures are required to pump electrolyte through the effective space. At the same time, the segmented fluid guidance via a plurality of channel systems promotes a more homogeneous electrolyte distribution in the electrode space.

Die Fluidanschlüsse können insbesondere in Form von Durchgangslöchern in dem Flussrahmen ausgebildet sein. Die Kanalstrukturen können insbesondere in dem Flussrahmen ausgebildet sein, bspw. in Form von lokalen Ausnehmungen an einer Rahmenoberfläche des Flussrahmens. Der Flussrahmen kann mittels Spritzgießen hergestellt sein. Vorteilhafte Materialien für den Flussrahmen umfassen Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid. Eine Fluid-Verteilung auf die mehreren Fluidanschlüsse kann insbesondere außerhalb des Flussrahmens erfolgen, beispielsweise durch eine externe Verteilerleitung. Es ist aber auch möglich, dass eine solche Verteilerleitung in den Flussrahmen integriert ist.The fluid connections can in particular be designed in the form of through holes in the flow frame. The channel structures can in particular be formed in the flow frame, for example in the form of local recesses on a frame surface of the flow frame. The flow frame can be made by injection molding. Beneficial materials for the flow frame include polypropylene, polyethylene or polyamide. Fluid distribution to the plurality of fluid connections can take place in particular outside the flow frame, for example through an external distribution line. However, it is also possible for such a distribution line to be integrated into the flow frame.

Die Flussrahmensegmente können derart ausgebildet sein, dass die Elektrodenraumsegmente in ihrer Gesamtheit einen durchgehenden Elektrodenraum bilden. Insofern kann der Flussrahmen einen einzelnen, durchgehenden Elektrodenraum aufweisen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Elektrodenraumsegmente entlang der Rahmenachse betrachtet ein oder beidseitig offen sind, sodass durch Zusammensetzen mehrerer Flussrahmensegmente entlang der Rahmenachse ein durchgehender Elektrodenraum gebildet ist. Dann sind dem Elektrodenraum insofern mindestens zwei Zuführkanalsysteme und zwei Rückführkanalsysteme zugeordnet, um Elektrolyt dem Elektrodenraum zuzuführen bzw. aus dem Elektrodenraum abzuführen. Die Zuführkanalstrukturen und die Rückführkanalstrukturen können dann an unterschiedlichen Positionen des Elektrodenraums in diesen einmünden. Insbesondere können die Zuführkanalstrukturen an einer Seite des Elektrodenraums in diesen einmünden und die Rückführkanalstrukturen können an der gegenüberliegenden Seite in den Elektrodenraum einmünden. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Flussrahmens kann dann kann beispielsweise eine einzelne Elektrode vorgesehen sein, welche in dem Elektrodenraum angeordnet ist, insbesondere diesen vollständig ausfüllt.The flow frame segments can be designed in such a way that the electrode space segments as a whole form a continuous electrode space. In this respect, the flow frame can have a single, continuous electrode space. For example, it is conceivable that the electrode space segments are open on one or both sides when viewed along the frame axis, so that a continuous electrode space is formed by assembling several flow frame segments along the frame axis. At least two supply channel systems and two return channel systems are then assigned to the electrode space in order to supply electrolyte to the electrode space or to remove it from the electrode space. The supply channel structures and the return channel structures can then open into the electrode space at different positions. In particular, the supply channel structures can open into the electrode space on one side and the return channel structures can open into the electrode space on the opposite side. If the flow frame is used as intended, a single electrode can then be provided, for example, which is arranged in the electrode space, in particular completely filling it.

Es ist auch denkbar, dass die Elektrodenraumsegmente voneinander fluidisch getrennt sind. Beispielsweise können die Flussrahmensegmente jeweils eine Rahmenöffnung zur Aufnahme einer Elektrode umgrenzen. Dann kann der Flussrahmen eine Mehrzahl von separaten Rahmenöffnungen (Elektrodenraumsegmente) jeweils zur Aufnahme einer Elektrode einschließen. Jedem Elektrodenraumsegment ist dann ein Zuführkanalsystem und ein Rückführkanalsystem zugeordnet, um Elektrolyt dem Elektrodenraumsegment zuführen zu können oder aus diesem abführen zu können. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Flussrahmens kann dann in jedem Elektrodenraumsegment eine Elektrode angeordnet sein.It is also conceivable that the electrode space segments are fluidically separated from one another. For example, the flow frame segments can each delimit a frame opening for receiving an electrode. The flow frame can then include a plurality of separate frame openings (electrode space segments) each for receiving an electrode. Each electrode space segment is then assigned a supply channel system and a return channel system in order to be able to supply electrolyte to the electrode space segment or to be able to remove it from it. If the flow frame is used as intended, an electrode can then be arranged in each electrode space segment.

Eine besonders günstige Druckverteilung kann sich dann ergeben, wenn der Fluidanschluss des Zuführkanalsystems und der Fluidanschluss des Rückführkanalsystems eines Flussrahmensegments in Bezug auf das Elektrodenraumsegment dieses Flussrahmensegments einander diagonal gegenüberliegen, insbesondere punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt des Elektrodenraumsegmentes angeordnet sind. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Fluidanschlüsse in den Ecken eines jeweiligen Flussrahmensegments angeordnet sind.A particularly favorable pressure distribution can result if the fluid connection of the supply channel system and the fluid connection of the return channel system of a flow frame segment are diagonally opposite one another in relation to the electrode space segment of this flow frame segment, in particular are arranged point-symmetrically to a center point of the electrode space segment. For example, it is conceivable that the fluid connections are arranged in the corners of a respective flow frame segment.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann jedes Flussrahmensegment zwei weitere, von dem Elektrodenraumsegment dieses Flussrahmensegments fluidisch getrennte Fluidanschlüsse aufweisen. Diese Fluidanschlüsse können insbesondere dazu dienen, Elektrolyt anderer Polarität an einen benachbarten Flussrahmen und/oder die angrenzende Halbzelle weiterzuleiten. In einem Stack können die Flussrahmen insbesondere derart aufeinandergestapelt sein, dass die Fluidanschlüsse benachbarter Flussrahmen miteinander fluchten, sodass jeweils eine den Stack durchlaufende Elektrolytleitung gebildet ist.As part of an advantageous development, each flow frame segment can have two further fluid connections that are fluidically separated from the electrode space segment of this flow frame segment. These fluid connections can in particular serve to forward electrolyte of a different polarity to an adjacent flow frame and/or the adjacent half cell. In a stack, the flow frames can in particular be stacked on top of one another in such a way that the fluid connections of adjacent flow frames are aligned with one another, so that an electrolyte line running through the stack is formed.

Die Flussrahmensegmente können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass bei benachbarten, also entlang der Rahmenachse nebeneinanderliegenden, Flussrahmensegmenten eine Anordnung der beiden mit dem Elektrodenraumsegment fluidisch verbundenen Fluidanschlüsse und der beiden von dem Elektrodenraumsegment fluidisch getrennten Fluidanschlüsse relativ zueinander identisch ist. Insofern können die Flussrahmensegmente insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein, dass ein mit dem Elektrodenraumsegment fluidisch verbundener Fluidanschluss eines Flussrahmensegments neben einem von dem Elektrodenraumsegment fluidisch getrennten Fluidanschluss eines benachbarten Flussrahmens angeordnet ist. Insbesondere können sich Fluidanschlüsse, welche mit dem Elektrodenraumsegment fluidisch verbunden sind, und Fluidanschlüsse, welche von dem Elektrodenraumsegment fluidisch getrennt sind, entlang der Rahmenachse betrachtet abwechseln.The flow frame segments can be designed and arranged in such a way that in the case of adjacent flow frame segments, i.e. lying next to one another along the frame axis, an arrangement of the two fluid connections fluidically connected to the electrode space segment and the two fluid connections fluidically separated from the electrode space segment is identical to one another. In this respect, the flow frame segments can in particular be designed and arranged in such a way that a fluid connection of a flow frame segment that is fluidly connected to the electrode space segment is arranged next to a fluid connection of an adjacent flow frame that is fluidically separated from the electrode space segment. In particular, fluid connections that are fluidly connected to the electrode space segment and fluid connections that are fluidly separated from the electrode space segment can alternate when viewed along the frame axis.

Die Flussrahmensegmente können auch derart ausgebildet und angeordnet sein, dass bei benachbarten, also entlang der Rahmenachse nebeneinanderliegenden, Flussrahmensegmenten eine Anordnung der beiden mit dem Elektrodenraumsegment fluidisch verbundenen Fluidanschlüsse und der beiden von dem Elektrodenraumsegment fluidisch getrennten Fluidanschlüsse relativ zueinander vertauscht ist. Insofern können die Flussrahmensegmente insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein, dass bei benachbarten Flussrahmensegmenten Fluidanschlüsse der gleichen Kategorie (mit dem Elektrodenraumsegment fluidisch verbundene Fluidanschlüsse oder von dem Elektrodenraumsegment fluidisch getrennten Fluidanschlüsse) entlang der Rahmenachse betrachtet nebeneinanderliegen. Dies ermöglicht eine besonders einfache und platzsparende Fluid-Verteilung auf die Fluidanschlüsse, da dann Zuführ- oder Rückführ-Fluidanschlüsse vorzugsweise nebeneinanderliegen.The flow frame segments can also be designed and arranged in such a way that in the case of adjacent flow frame segments, i.e. lying next to one another along the frame axis, an arrangement of the two fluid connections fluidically connected to the electrode space segment and the two fluid connections fluidically separated from the electrode space segment are swapped relative to one another. In this respect, the flow frame segments can in particular be designed and arranged such that, in the case of adjacent flow frame segments, fluid connections of the same category (fluid connections fluidly connected to the electrode space segment or fluid connections fluidically separated from the electrode space segment) lie next to one another when viewed along the frame axis. This enables a particularly simple and space-saving fluid distribution to the fluid connections, since supply or return fluid connections are then preferably located next to one another.

Der Flussrahmen kann grundsätzlich einstückig ausgebildet sein. Die Flussrahmensegmente können insofern durch Abschnitte des Flussrahmens gebildet sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Flussrahmen eine, insbesondere mittig angeordnete, Rahmenöffnung umgrenzt, welche den Elektrodenraum bildet. Dann können Abschnitte dieser Rahmenöffnung die vorstehend beschriebenen Elektrodenraumsegmente bilden. Es ist auch denkbar, dass der Rahmengrundkörper eine Mehrzahl von fluidisch getrennten Rahmenöffnungen aufweist, welche jeweils ein Elektrodenraumsegment bilden.The flow frame can basically be formed in one piece. The flow frame segments can in this respect be formed by sections of the flow frame. For example, it is conceivable that the flow frame delimits a frame opening, particularly centrally arranged, which forms the electrode space. Sections of this frame opening can then form the electrode space segments described above. It is also conceivable that the frame base body has a plurality of fluidically separated frame openings, each of which forms an electrode space segment.

In vorteilhafter Weise kann der Flussrahmen jedoch modular aus den Flussrahmensegmenten zusammengesetzt sein. Insbesondere können die Flussrahmensegmente durch voneinander separat bereitgestellte Rahmenelemente gebildet sein, welche fluiddicht miteinander verbunden sind. Die Rahmenelemente sind insbesondere insofern separat ausgebildet, als dass die Rahmenelemente zum Zusammenbau des Flussrahmens als separate Elemente bereitgestellt werden und dann zu dem Flussrahmen miteinander fluiddicht verbunden werden. Die Rahmenelemente können jeweils eine Rahmenöffnung einschließen oder zumindest abschnittsweise begrenzen. Die Rahmenelemente können insbesondere stoffschlüssig, z.B. durch Schweißen oder Kleben, verbunden sein. Es ist auch denkbar, dass die Rahmenelemente mittels Dichtungselementen fluiddicht verbunden sind. Insbesondere sind die Fluidanschlüsse in Form von Durchgangslöchern in den Rahmenelementen ausgebildet. Eine solche modulare Ausgestaltung ermöglicht es, den Elektrodenraum des Flussrahmens und somit eine effektive Wirkfläche einer Halbzelle variabel zu vergrößern und somit bspw. eine Leistung der einzelnen Zellen flexibel zu skalieren. Gleichzeitig wird durch die segmentierte Fluidzuführung bzw. Fluidrückführung je Flussrahmensegment sichergestellt, dass auch bei einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Flussrahmensegmenten (und somit einer großen effektiven Wirkfläche) noch eine homogene Elektrolytverteilung und ein vergleichsweise geringer Gesamtdruckabfall erzielt werden. Da die einzelnen Segmente im Vergleich zu dem Endprodukt (Flussrahmen) klein bemessen sind, können außerdem Werkzeuggrößen und damit Werkzeugkosten (bspw. von Spritzgusswerkzeugen) reduziert werden, sodass Flussrahmen mit vergleichsweise großen Wirkflächen und optimierter Fluidführung kostengünstig hergestellt werden können.However, the flow frame can advantageously be composed modularly of the flow frame segments. In particular, the flow frame segments can be formed by frame elements that are provided separately from one another and are connected to one another in a fluid-tight manner. The frame elements are designed separately in particular in that the frame elements are provided as separate elements for assembling the flow frame and are then connected to one another in a fluid-tight manner to form the flow frame. The frame elements can each enclose a frame opening or at least delimit it in sections. The frame elements can in particular be connected in a materially bonded manner, for example by welding or gluing. It is also conceivable that the frame elements are connected in a fluid-tight manner by means of sealing elements. In particular, the fluid connections are designed in the form of through holes in the frame elements. Such a modular design makes it possible to variably increase the electrode space of the flow frame and thus an effective effective area of a half cell and thus, for example, to flexibly scale the performance of the individual cells. At the same time, the segmented fluid supply or fluid return per flow frame segment ensures that even with a large number of flow frame segments arranged next to one another (and thus a large effective effective area), a homogeneous electrolyte distribution and a comparatively low overall pressure drop can still be achieved. Since the individual segments are small compared to the end product (flow frame), tool sizes and thus tool costs (e.g. of injection molding tools) can also be reduced, so that flow frames with comparatively large effective areas and optimized fluid guidance can be produced cost-effectively.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Flussrahmensegmente zueinander identisch ausgebildet sein. Ein solcher Flussrahmen kann besonders kostengünstig bereitgestellt werden, da durch eine hohe Anzahl von Gleichteilen Skaleneffekte bei der Herstellung ausgenutzt werden können (nur ein Werkzeug, Massenfertigung gleicher Teile). In Abhängigkeit einer Orientierung der Flussrahmensegmente in dem Flussrahmen kann dann eine relative Anordnung der Fluidanschlüsse verändert werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Flussrahmensegmente in gleicher Orientierung entlang der Rahmenachse nebeneinander angeordnet sind. Dann kann beispielsweise bei benachbarten, also entlang der Rahmenachse nebeneinanderliegenden, Flussrahmensegmenten eine relative Anordnung der Fluidanschlüsse identisch sein.As part of an advantageous embodiment, the flow frame segments can be designed to be identical to one another. Such a flow frame can be provided particularly cost-effectively, since economies of scale can be exploited in production due to a large number of identical parts (only one tool, mass production of identical parts). Depending on an orientation of the flow frame segments in the flow frame, a relative arrangement of the fluid connections can then be changed. It is, for example, conceivable that the flow frame segments are arranged next to one another in the same orientation along the frame axis. Then, for example, for adjacent flow frame segments, i.e. those lying next to one another along the frame axis, a relative arrangement of the fluid connections can be identical.

Es ist auch denkbar, dass benachbarte Flussrahmensegmente um 180° relativ zueinander um eine Drehachse verdreht sind. Die Drehachse kann der Rahmenachse entsprechen. Die Drehachse kann auch zu einer von dem Flussrahmen aufgespannten Rahmenebene orthogonal verlaufen. Die Drehachse kann auch orthogonal zu der Rahmenachse verlaufen und in der Rahmenebene liegen. Beispielsweise ist es denkbar, dass benachbarte Flussrahmensegmente derart angeordnet sind, dass bei benachbarten, also entlang der Rahmenachse nebeneinanderliegenden, Flussrahmensegmenten eine relative Anordnung der Fluidanschlüsse vertauscht ist.It is also conceivable that adjacent flow frame segments are rotated by 180° relative to one another about an axis of rotation. The axis of rotation can correspond to the frame axis. The axis of rotation can also run orthogonally to a frame plane spanned by the flow frame. The axis of rotation can also run orthogonally to the frame axis and lie in the frame plane. For example, it is conceivable that adjacent flow frame segments are arranged in such a way that a relative arrangement of the fluid connections is reversed in adjacent flow frame segments, i.e. those lying next to one another along the frame axis.

Wie vorstehend erläutert, ermöglicht es ein solcher modularer Aufbau, Flussrahmen und somit Zellen mit vergleichsweise großen effektiven Wirkräumen kostengünstig bereitzustellen. Mit steigender Größe der Wirkräume ist in der Regel aber auch ein erhöhter Elektrolytdurchsatz zur Realisierung hoher elektrischer Stromdichten erforderlich. In diesem Zusammenhang, aber auch ganz allgemein, kann es vorteilhaft sein, wenn sich die auf Ebene der Fluidanschlüsse (Primärkanäle) vorgeschlagene segmentierte Fluidverteilung auch auf Ebene der mit den Fluidanschlüssen verbundenen Kanalstrukturen fortsetzt, was einen Gesamtdruckabfall weiter reduzieren kann.As explained above, such a modular structure makes it possible to provide flow frames and thus cells with comparatively large effective spaces cost-effectively. As the size of the effective spaces increases, an increased electrolyte throughput is usually required to achieve high electrical current densities. In this context, but also in general, it can be advantageous if the segmented fluid distribution proposed at the level of the fluid connections (primary channels) also continues at the level of the channel structures connected to the fluid connections, which can further reduce an overall pressure drop.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung können die Zuführkanalstrukturen und/oder die Rückführkanalstrukturen jeweils eine Mehrzahl von Sekundärkanälen umfassen, welche an separaten Positionen des jeweiligen Fluidanschlusses abgehen. Andersrum betrachtet können die Sekundärkanäle insofern an unterschiedlichen Positionen und voneinander separat in den entsprechenden Fluidanschluss einmünden. In vorteilhafter Weise können die Sekundärkanäle über Einströmbereiche, insbesondere umfassend Verteilerstrukturen zur Verteilung von Fluid, in das jeweilige Elektrodenraumsegment einmünden. Die Sekundärkanäle können sich insofern insbesondere von dem jeweiligen Fluidanschluss zu dem jeweiligen Einströmbereich erstrecken.As part of an advantageous development, the supply channel structures and/or the return channel structures can each comprise a plurality of secondary channels which extend at separate positions of the respective fluid connection. Viewed the other way around, the secondary channels can open into the corresponding fluid connection at different positions and separately from one another. Advantageously, the secondary channels can open into the respective electrode space segment via inflow areas, in particular comprising distribution structures for distributing fluid. The secondary channels can in this respect extend in particular from the respective fluid connection to the respective inflow area.

Eine besonders homogene Verteilung von Elektrolyt in dem Elektrodenraumsegment kann zudem dadurch begünstigt werden, dass jeder Sekundärkanal über einen eigenen Einströmbereich in das Elektrodenraumsegment einmündet. Insofern sind eine Anzahl an Sekundärkanälen und eine Anzahl an Einströmbereichen insbesondere identisch. Vorzugsweise sind die Einströmbereiche der Sekundärkanäle voneinander räumlich getrennt, münden also an separaten Positionen in das Elektrodenraumsegment ein. Hierdurch kann die Gefahr von hohen lokalen Shuntströmen beim Eintritt des Elektrolyten in den Elektrodenraum vermieden oder zumindest stark reduziert werden.A particularly homogeneous distribution of electrolyte in the electrode space segment can also be promoted by each secondary channel opening into the electrode space segment via its own inflow area. In this respect, a number of secondary channels and a number of inflow areas are in particular identical. Preferably, the inflow areas of the secondary channels are spatially separated from one another, i.e. they open into the electrode space segment at separate positions. In this way, the risk of high local shunt currents when the electrolyte enters the electrode space can be avoided or at least greatly reduced.

Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die Sekundärkanäle entlang ihres, insbesondere kompletten, Verlaufs von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraumsegment fluidisch und elektrisch voneinander isoliert sind, bspw. durch Materialabschnitte des Flussrahmens. Insbesondere können die Sekundärkanäle entlang ihres Verlaufs von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraumsegment durch Stege voneinander fluidisch und elektrisch isoliert sein.In addition, it can be advantageous if the secondary channels are fluidically and electrically insulated from one another along their, in particular complete, course from the fluid connection to the electrode space segment, for example by material sections of the flow frame. In particular, the secondary channels can be fluidically and electrically insulated from each other by webs along their course from the fluid connection to the electrode space segment.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung können die Sekundärkanäle ihrerseits jeweils eine Mehrzahl von, insbesondere parallel verlaufenden, Unterkanälen aufweisen oder dadurch gebildet sein. Eine solche zusätzliche Unterteilung in Unterkanäle reduziert den Gesamtdruckabfall weiter. Zudem ist bei einer solchen Ausgestaltung eine Kanalbreite je Kanal (Unterkanal) geringer als die Kanalbreite eines Einzelkanals mit vergleichbarem Gesamtströmungsquerschnitt wie die Summe der Unterkanäle eines Sekundärkanals. Dies ermöglicht es, die Sekundärkanäle bzw. Unterkanäle auf einfache Weise auch mit weichen Dichtungsmaterialien, insbesondere Flachdichtungen, abzudichten, da durch die geringe Kanalbreite ein unerwünschtes Einsinken der Dichtungsmaterialien in die Kanäle, bspw. beim Verpressen im Stack, verhindert oder zumindest auf ein akzeptables Maß reduziert werden kann. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn eine Kanalbreite der Unterkanäle zwischen 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm beträgt und/oder wobei eine Kanaltiefe (bzw. Höhe) der Unterkanäle zwischen 0,3 und 4 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mm, beträgt.As part of an advantageous development, the secondary channels can in turn each have a plurality of, in particular parallel, subchannels or can be formed thereby. Such additional division into sub-channels further reduces the overall pressure drop. In addition, in such a configuration, a channel width per channel (subchannel) is smaller than the channel width of an individual channel with a comparable overall flow cross section to the sum of the subchannels of a secondary channel. This makes it possible to seal the secondary channels or sub-channels in a simple manner with soft sealing materials, in particular flat seals, since the small channel width prevents the sealing materials from sinking into the channels, for example when pressing in the stack, or at least to an acceptable level can be reduced. In this context, it can be advantageous if a channel width of the sub-channels is between 1 and 6 mm, preferably between 2 and 4 mm and/or a channel depth (or height) of the sub-channels is between 0.3 and 4 mm, preferably between 0 .5 and 2 mm.

Die Unterkanäle können grundsätzlich den gleichen Strömungsquerschnitt, insbesondere die gleiche Kanalbreite und/oder Kanaltiefe, aufweisen. Es ist auch möglich, dass eine Teilmenge der Unterkanäle eines Strömungskanals einen unterschiedlichen Strömungsquerschnitt aufweist. Es ist auch denkbar, dass ein Unterkanal entlang seines Verlaufs innerhalb eines Sekundärkanal-Segments eine variierende Kanalbreite und/oder Kanaltiefe aufweist.The subchannels can fundamentally have the same flow cross section, in particular the same channel width and/or channel depth. It is also possible that a subset of the sub Channels of a flow channel have a different flow cross section. It is also conceivable that a subchannel has a varying channel width and/or channel depth along its course within a secondary channel segment.

Die Unterkanäle münden ihrerseits vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen und voneinander separat in den jeweiligen Fluidanschluss ein. Mit anderen Worten gehen die Unterkanäle insbesondere an unterschiedlichen Positionen des Fluidanschlusses ab.The sub-channels in turn preferably open into the respective fluid connection at different positions and separately from one another. In other words, the sub-channels extend in particular from different positions of the fluid connection.

Die Unterkanäle können sich entlang der gesamten Länge eines jeweiligen Sekundärkanals erstrecken. Insbesondere können die Unterkanäle entlang ihres kompletten Verlaufs von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraum voneinander fluidisch und elektrisch isoliert sein. Beispielsweise können die Unterkanäle zumindest abschnittsweise durch Stege voneinander getrennt sein. Die Stege können durch Materialabschnitte des Flussrahmens gebildet sein. Die Stege können dabei als Abstützflächen für optionale Dichtungselemente wie bspw. Flachdichtungen dienen.The subchannels can extend along the entire length of a respective secondary channel. In particular, the subchannels can be fluidically and electrically insulated from one another along their entire course from the fluid connection to the electrode space. For example, the subchannels can be separated from one another at least in sections by webs. The webs can be formed by material sections of the flow frame. The webs can serve as support surfaces for optional sealing elements such as flat gaskets.

Um einen Ausgleich von etwaigen Druckunterschieden zwischen den Unterkanälen zu ermöglichen, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Teilmenge der Unterkanäle zumindest einer Teilmenge der Sekundärkanäle über wenigstens einen Querkanal miteinander verbunden sind. Dies kann bspw. dadurch erzielt werden, dass Stege, welche benachbarte Unterkanäle trennen, zumindest abschnittsweise unterbrochen sind. Es ist auch denkbar, dass Querkanäle unterschiedlicher Breite vorgesehen sind.However, in order to enable compensation of any pressure differences between the sub-channels, it may be advantageous if at least a subset of the sub-channels of at least a subset of the secondary channels are connected to one another via at least one transverse channel. This can be achieved, for example, by interrupting at least sections of webs that separate adjacent subchannels. It is also conceivable that transverse channels of different widths are provided.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung können die Sekundärkanäle eine Mehrzahl von Sekundärkanal-Segmenten umfassen, welche entlang der Erstreckung des Sekundärkanals von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraumsegment hintereinander angeordnet sind. Mit anderen Worten kann ein jeweiliger Sekundärkanal entlang seines Verlaufs in mehrere Abschnitte unterteilt sein, welche in ihrer Gesamtheit den Sekundärkanal bilden. Die Sekundärkanäle können insofern derart ausgebildet sein, dass entlang ihrer Erstreckung von dem Fluidanschluss zu dem Elektrodenraumsegment verschiedene Segmente durchlaufen werden.As part of an advantageous development, the secondary channels can comprise a plurality of secondary channel segments, which are arranged one behind the other along the extension of the secondary channel from the fluid connection to the electrode space segment. In other words, a respective secondary channel can be divided along its course into several sections, which in their entirety form the secondary channel. The secondary channels can be designed in such a way that different segments are passed through along their extension from the fluid connection to the electrode space segment.

Die Sekundärkanal-Segmente können ihrerseits die vorstehend beschriebenen Unterkanäle aufweisen. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Sekundärkanal-Segmente eines Sekundärkanals jeweils die gleiche Anzahl von Unterkanälen aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Anzahl von Unterkanälen zwischen den Sekundärkanal-Segmenten eines Sekundärkanals variiert. Vorzugsweise ist eine Anzahl und Konfiguration der Unterkanäle derart gewählt, dass ein Druckabfall möglichst homogen über alle Sekundärkanäle ist.The secondary channel segments can in turn have the subchannels described above. In this context, it is possible for the secondary channel segments of a secondary channel to each have the same number of subchannels. However, it is also possible for the number of subchannels to vary between the secondary channel segments of a secondary channel. Preferably, a number and configuration of the subchannels is selected such that a pressure drop is as homogeneous as possible across all secondary channels.

Eine Homogenisierung des Fluidstroms durch einen Sekundärkanal kann insbesondere dadurch begünstigt werden, dass zumindest ein Sekundärkanal-Segment des Sekundärkanals eine geringere Anzahl an Unterkanälen aufweist als ein entlang der Erstreckung des Sekundärkanals von dem Fluidanschluss zu dem Einströmbereich vor diesem Sekundärkanal-Segment liegendes Sekundärkanal-Segment. Insofern kann eine Anzahl an Unterkanälen entlang der Erstreckung des Sekundärkanals von dem Fluidanschluss zu dem Einströmbereich auch abnehmen. Insbesondere kann zumindest eine Teilmenge der Sekundärkanäle derart ausgebildet sein, dass eine Anzahl von Unterkanälen entlang des Verlaufs des Sekundärkanals von dem Fluidkanal zu dem Elektrodenraum zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt, insbesondere nicht von Segment zu Segment steigt.Homogenization of the fluid flow through a secondary channel can be promoted in particular in that at least one secondary channel segment of the secondary channel has a smaller number of subchannels than a secondary channel segment lying along the extension of the secondary channel from the fluid connection to the inflow area in front of this secondary channel segment. In this respect, a number of subchannels can also decrease along the extent of the secondary channel from the fluid connection to the inflow region. In particular, at least a subset of the secondary channels can be designed such that a number of subchannels initially decreases and then increases again along the course of the secondary channel from the fluid channel to the electrode space, in particular does not increase from segment to segment.

Die Sekundärkanal-Segmente können derart ausgebildet sein, dass zumindest eine Teilmenge der Sekundärkanal-Segmente eines Sekundärkanals eine unterschiedliche Orientierung aufweist. Insofern können benachbarte Sekundärkanal-Segmente zueinander winklig angeordnet sein, bspw. zueinander orthogonal verlaufen.The secondary channel segments can be designed such that at least a subset of the secondary channel segments of a secondary channel have a different orientation. In this respect, adjacent secondary channel segments can be arranged at an angle to one another, for example, run orthogonally to one another.

Eine Homogenisierung der Fluidströmung in den Sekundärkanälen kann ferner dadurch begünstigt werden, dass an einem Verbindungspunkt, insbesondere einem Umlenkpunkt, zweier benachbarter Sekundärkanal-Segmente eines Sekundärkanals die Unterkanäle über ein gitterartiges Kanalnetz miteinander fluidisch verbunden sind. Beispielsweise können die vorstehend beschriebenen Stege zwischen benachbarten Unterkanälen derart abschnittsweise unterbrochen sein, dass ein gitterartiges Kanalnetz gebildet ist. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht zudem einen Ausgleich von Druckunterschieden zwischen den Unterkanälen.Homogenization of the fluid flow in the secondary channels can further be promoted in that at a connection point, in particular a deflection point, of two adjacent secondary channel segments of a secondary channel, the subchannels are fluidly connected to one another via a grid-like channel network. For example, the webs described above can be interrupted in sections between adjacent sub-channels in such a way that a grid-like channel network is formed. Such a design also enables pressure differences between the sub-channels to be equalized.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung können das wenigstens eine Zuführkanalsystem und/oder das wenigstens eine Rückführkanalsystem, insbesondere die Sekundärkanäle, derart ausgebildet sein, dass ein Druckunterschied zwischen Fluidanschluss und jeweiligem Einströmbereich der Sekundärkanäle in den Elektrodenraum zwischen 0 und 10 %, insbesondere zwischen 0,1 und 1,0 %, beträgt. Um einen möglichst homogenen Druckabfall über alle Sekundärkanäle von deren Abzweig aus dem Fluidanschluss bis zu dem Eintritt in den Elektrodenraum zu erzielen, kann es außerdem vorteilhaft sein, wenn das wenigstens eine Zuführkanalsystem und/oder das wenigstens eine Rückführkanalsystem, insbesondere die Sekundärkanäle, weiter insbesondere eine Konfiguration der Unterkanäle, derart ausgebildet sind, dass eine Differenz zwischen den Teilvolumenströmen durch die Sekundärkanäle kleiner 10 %, vorzugsweise kleiner 1%, insbesondere zwischen 0,1 und 0,8 %, ist.As part of an advantageous embodiment, the at least one supply channel system and/or the at least one return channel system, in particular the secondary channels, can be designed such that a pressure difference between the fluid connection and the respective inflow area of the secondary channels into the electrode space is between 0 and 10%, in particular between 0.1 and 1.0%. In order to achieve the most homogeneous possible pressure drop across all secondary channels from their branch from the fluid connection to the entry into the electrode space, it can also be advantageous if the at least one supply channel system and / or the at least one return channel system, in particular the secondary channels, further in particular a configuration of the subchannels, are designed such that a difference between the partial volume flows through the secondary channels is less than 10%, preferably less than 1%, in particular between 0.1 and 0.8%.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 15 gelöst. Insbesondere handelt es sich bei der Zelle um eine Zelle einer Redox-Flow-Batterie. Die Zelle umfasst eine erste und eine zweite Halbzelle. Die Zelle umfasst außerdem eine Membran, welche zwischen der ersten und der zweiten Halbzelle angeordnet ist. Die Membran ist insbesondere zumindest abschnittsweise ionendurchlässig ausgebildet. Jede Halbzelle umfasst einen vorstehend beschriebenen Flussrahmen und eine in dem Elektrodenraum dieses Flussrahmens angeordnete Elektrode. Vorzugsweise füllt die Elektrode den Elektrodenraum vollständig aus. Bei der Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Filz-Elektrode handeln, z.B. aus einem Kohlenstoffmaterial.The task mentioned at the beginning is also achieved by an electrochemical cell according to claim 15. In particular, the cell is a cell of a redox flow battery. The cell includes a first and a second half cell. The cell also includes a membrane disposed between the first and second half cells. The membrane is in particular designed to be ion-permeable at least in sections. Each half cell includes a flow frame described above and an electrode arranged in the electrode space of this flow frame. Preferably, the electrode completely fills the electrode space. The electrode can be, for example, a felt electrode, for example made of a carbon material.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ist der Flussrahmen der ersten Halbzelle und der Flussrahmen der zweiten Halbzelle zueinander identisch ausgebildet, wobei der Flussrahmen der zweiten Halbzelle relativ zu dem Flussrahmen der ersten Halbzelle um 180° um eine seiner Außenkanten geklappt ist.As part of an advantageous embodiment, the flow frame of the first half cell and the flow frame of the second half cell are designed to be identical to one another, with the flow frame of the second half cell being folded by 180° around one of its outer edges relative to the flow frame of the first half cell.

Für einen Einsatz in einer Redox-Flow-Batterie kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Zellen zu einem Zellstack gestapelt sind. Es wird insofern zur Lösung der Aufgabe auch ein Zellstack vorgeschlagen, welcher eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Zellen umfasst. Die Zellen sind insbesondere entlang einer zu der von dem Flussrahmen aufgespannten Rahmenebene orthogonalen Stapelrichtung aufeinandergestapelt. Dabei ist zwischen benachbarten Zellen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet. Eine Bipolarplatte ist insofern jeweils zwei benachbarten Halbzellen zugeordnet.For use in a redox flow battery, it can be particularly advantageous if a majority of the cells described above are stacked to form a cell stack. In order to solve the problem, a cell stack is also proposed which comprises a plurality of the cells described above. The cells are stacked on top of one another in particular along a stacking direction that is orthogonal to the frame plane spanned by the flow frame. A bipolar plate is arranged between neighboring cells. A bipolar plate is therefore assigned to two adjacent half cells.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.

Es zeigen:

1 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Draufsicht;
2 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Draufsicht;
3 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines aus mehreren Rahmenelementen modular aufgebauten Flussrahmens;
4 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines aus mehreren Rahmenelementen modular aufgebauten Flussrahmens;
5 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Flussrahmens in einer Draufsicht und vergrößerte Ausschnitte zur Erläuterung der Ausgestaltung der Kanalstrukturen;
6 vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Sekundärkanals; und
7 vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung einer Verbindung zweier Sekundärkanal-Segmente.

Show it:

1 simplified schematic representation of an embodiment of a flow frame in a top view;
2 simplified schematic representation of a further embodiment of a flow frame in a top view;
3 simplified schematic representation of an embodiment of a river frame constructed modularly from several frame elements;
4 simplified schematic representation of a further embodiment of a river frame constructed modularly from several frame elements;
5 simplified schematic representation of a further design of a flow frame in a top view and enlarged details to explain the design of the channel structures;
6 simplified schematic representation to explain an exemplary embodiment of a secondary channel; and
7 simplified schematic representation to explain a connection between two secondary channel segments.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following description and in the figures, the same reference numbers are used for identical or corresponding features.

Die 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine Ausgestaltung eines Flussrahmens, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Flussrahmen 10 dient zur Verwendung in einer Zelle einer Redox-Flow-Batterie (nicht dargestellt), insbesondere in einem Redox-Flow-Batterie-Stack.The 1 shows a simplified schematic representation of an embodiment of a flow frame, which is designated overall by the reference number 10. The flow frame 10 is for use in a cell of a redox flow battery (not shown), in particular in a redox flow battery stack.

Der Flussrahmen 10 umfasst mehrere, im Beispiel zwei, Flussrahmensegmente 52-1, 52-2, welche entlang einer Rahmenachse 54 nebeneinander angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel sind die Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 durch voneinander separat bereitgestellte Rahmenelemente 56-1, 56-2 gebildet, welche fluiddicht zu dem Flussrahmen 10 zusammengesetzt sind. Beispielhaft können die Rahmenelemente 56-1, 56-2 stoffschlüssig miteinander verbunden sein, z.B. durch Kleben oder Schweißen. Es ist auch möglich, dass die Rahmenelemente 56-1, 56-2 über entsprechende Dichtungselemente (nicht dargestellt) miteinander fluiddicht verbunden sind.The flow frame 10 comprises several, in the example two, flow frame segments 52-1, 52-2, which are arranged next to one another along a frame axis 54. In the example shown, the flow frame segments 52-1, 52-2 are formed by frame elements 56-1, 56-2 which are provided separately from one another and which are assembled in a fluid-tight manner to form the flow frame 10. For example, the frame elements 56-1, 56-2 can be connected to one another in a materially bonded manner, for example by gluing or welding. It is also possible for the frame elements 56-1, 56-2 to be connected to one another in a fluid-tight manner via corresponding sealing elements (not shown).

Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen ist es auch denkbar, dass der Flussrahmen 10 einstückig ausgebildet ist. Die Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 können insofern durch Abschnitte des Flussrahmens 10 gebildet sein.In embodiments not shown, it is also conceivable that the flow frame 10 is formed in one piece. The flow frame segments 52-1, 52-2 can therefore be formed by sections of the flow frame 10.

Wie aus 1 ersichtlich, begrenzen die Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 gemeinsam eine, im Beispiel mittige, Rahmenöffnung 12, welche einen Elektrodenraum 14 zur Aufnahme einer Elektrode (nicht dargestellt) bildet. Jedes Flussrahmensegment 52-1, 52-1 definiert insofern ein Elektrodenraumsegment 58-1, 58-2, wobei die Elektrodenraumsegmente 58-1, 58-2 in ihrer Gesamtheit den Elektrodenraum 14 bilden.How out 1 As can be seen, the flow frame segments 52-1, 52-2 together delimit a frame opening 12, in the middle in the example, which forms an electrode space 14 for receiving an electrode (not shown). Each flow frame segment 52-1, 52-1 thus defines an electrode space segment 58-1, 58-2, the electrode space segments 58-1, 58-2 forming the electrode space 14 in their entirety.

Jedes Flussrahmensegment 52-1, 52-2 umfasst außerdem ein Zuführkanalsystem 16-1, 16-2 zur Zuführung von Elektrolyt in den Elektrodenraum 14 und ein Rückführkanalsystem 18-1, 18-2 zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraum 14. Der Flussrahmen 10 gemäß 1 umfasst insofern zwei Zuführkanalsysteme 16-1, 16-2 und zwei Rückführkanalsysteme 18-1, 18-2.Each flow frame segment 52-1, 52-2 also includes a supply channel system 16-1, 16-2 for supplying electrolyte into the electrode space 14 and a return channel system 18-1, 18-2 for returning electrolyte from the electrode space 14. The flow frame 10 according to 1 in this respect includes two supply channel systems 16-1, 16-2 and two return channel systems 18-1, 18-2.

Jedes Zuführkanalsystem 16-1, 16-2 umfasst einen Fluidanschluss 20-1, 20-2 zur Zuführung von Elektrolyt in den Flussrahmen 10 sowie Zuführkanalstrukturen 22-1, 22-2, über welche der jeweilige Fluidanschluss 20-1, 20-2 mit dem Elektrodenraum 14 fluidisch verbunden ist (siehe unten). In analoger Weise umfasst jedes Rückführkanalsystem 18-1, 18-2 einen Fluidanschluss 24-1, 24-2 zur Abführung von Elektrolyt aus dem Flussrahmen 10 sowie Rückführkanalstrukturen 26-1, 26-2 über welche der jeweilige Fluidanschluss 24-1, 24-2 mit dem Elektrodenraum 14 fluidisch verbunden ist.Each supply channel system 16-1, 16-2 comprises a fluid connection 20-1, 20-2 for supplying electrolyte into the flow frame 10 as well as supply channel structures 22-1, 22-2, via which the respective fluid connection 20-1, 20-2 is fluidly connected to the electrode space 14 (see below). In an analogous manner, each return channel system 18-1, 18-2 comprises a fluid connection 24-1, 24-2 for removing electrolyte from the flow frame 10 as well as return channel structures 26-1, 26-2 via which the respective fluid connection 24-1, 24- 2 is fluidly connected to the electrode space 14.

Beispielhaft und bevorzugt liegen der Fluidanschluss 20-1, 20-2 des Zuführkanalsystems 22-1, 22-2 und der Fluidanschluss 24-1, 24-2 des Rückführkanalsystems 18-1, 18-2 eines Flussrahmensegments 52-1, 52-2 in Bezug auf das Elektrodenraumsegment 58-1, 58-2 dieses Flussrahmensegments 52-1, 52-2 einander diagonal gegenüber (vgl. 1).By way of example and preferably, the fluid connection 20-1, 20-2 of the supply channel system 22-1, 22-2 and the fluid connection 24-1, 24-2 of the return channel system 18-1, 18-2 are located in a flow frame segment 52-1, 52-2 with respect to the electrode space segment 58-1, 58-2 of this flow frame segment 52-1, 52-2 diagonally opposite one another (cf. 1 ).

In dem dargestellten Beispiel umfasst jedes Flussrahmensegment 52-1, 52-2 außerdem zwei weitere Fluidanschlüsse 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 welche von dem Elektrodenraum 14 fluidisch getrennt sind, also insbesondere nicht über Kanalstrukturen mit dem Elektrodenraum 14 verbunden sind. Die weitere Fluidanschlüsse 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 liegen beispielhaft und bevorzugt ebenfalls einander diagonal gegenüber.In the example shown, each flow frame segment 52-1, 52-2 also includes two further fluid connections 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 which are fluidically separated from the electrode space 14, i.e. in particular not via channel structures with the electrode space 14 are connected. The further fluid connections 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 are also, for example and preferably, diagonally opposite one another.

Beispielhaft und bevorzugt sind die Fluidanschlüsse 20-1, 20-2, 24-1, 24-2, 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 in Form von Durchgangslöchern in dem Flussrahmen 10 ausgebildet. Der Flussrahmen 10 kann insbesondere aus Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid hergestellt sein, beispielsweise mittels Spritzgießen.By way of example and preferably, the fluid connections 20-1, 20-2, 24-1, 24-2, 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 are designed in the form of through holes in the flow frame 10. The flow frame 10 can in particular be made of polypropylene, polyethylene or polyamide, for example by injection molding.

In einem Redox-Flow-Stack (nicht dargestellt) sind die Flussrahmen 10 insbesondere derart aufeinandergestapelt, dass die Fluidanschlüsse 20-1, 20-2, 24-1, 24-2, 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 benachbarter Flussrahmen 10 miteinander fluchten, sodass jeweils eine den Stack durchlaufende Elektrolytleitung gebildet ist. Wie bereits erwähnt, sind in einer Zelle vorzugsweise zwei Flussrahmen 10 vorgesehen, welche spiegelverkehrt angeordnet sind. Insofern können die Fluidanschlüsse 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 ohne Kanalstrukturen eines Flussrahmens 10 mit den Fluidanschlüssen 20, 24 mit Kanalstrukturen 22, 26 des zweiten Flussrahmens 10 einer Zelle fluidisch verbunden sein, insbesondere miteinander fluchten. In a redox flow stack (not shown), the flow frames 10 are stacked on top of one another in particular in such a way that the fluid connections 20-1, 20-2, 24-1, 24-2, 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 adjacent flow frames 10 are aligned with each other, so that an electrolyte line running through the stack is formed. As already mentioned, two flow frames 10 are preferably provided in a cell, which are arranged mirror-inverted. In this respect, the fluid connections 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 without channel structures of a flow frame 10 can be fluidly connected to the fluid connections 20, 24 with channel structures 22, 26 of the second flow frame 10 of a cell, in particular aligned with one another.

In einer beispielhaften Anwendungssituation des Flussrahmens 10 in einer Redox-Flow-Batterie können die Fluidanschlüsse 20-1, 20-2 zur Zuführung eines der beiden in der Redox-Flow-Batterie verwendeten Elektrolyten (z.B. des Katholyten) in den Elektrodenraum 14 dienen (Katholyt-Zuführung) und die Fluidanschlüsse 24-1, 24-2 können zur Rückführung dieses Elektrolyten aus dem Elektrodenraum 14 dienen. Die beiden anderen Fluidanschlüsse 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 (ohne Kanalstrukturen) können dann insbesondere der Weiterleitung des anderen Elektrolyten (z.B. des Anolyten) an den benachbarten Flussrahmen 10 einer Zelle dienen.In an exemplary application situation of the flow frame 10 in a redox flow battery, the fluid connections 20-1, 20-2 can be used to supply one of the two electrolytes used in the redox flow battery (e.g. the catholyte) into the electrode space 14 (catholyte -supply) and the fluid connections 24-1, 24-2 can be used to return this electrolyte from the electrode space 14. The other two fluid connections 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 (without channel structures) can then serve in particular to forward the other electrolyte (e.g. the anolyte) to the adjacent flow frame 10 of a cell.

Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung, bei der die relative Anordnung der Fluidanschlüsse 20-1, 20-2, 24-1, 24-2 mit Kanalstrukturen 22-1, 22-2, 26-1, 26-2 und der Fluidanschlüsse 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 ohne Kanalstrukturen bei beiden Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 identisch ist. Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die relative Anordnung der Fluidanschlüsse 20-1, 20-2, 24-1, 24-2 mit Kanalstrukturen 22-1, 22-2, 26-1, 26-2 und der Fluidanschlüsse 28-1, 28-2, 30-1, 30-2 ohne Kanalstrukturen 20-1, 20-2, 24-1, 24-2 bei den benachbarten Flussrahmensegmenten 52-1, 52-2 vertauscht ist. Bei einer solchen Ausgestaltung sind die Rückführ-Fluidanschlüsse 24-1, 24-2 nebeneinander angeordnet, was eine einfache Fluidabfuhr von außen ermöglicht.The 1 shows an exemplary embodiment in which the relative arrangement of the fluid connections 20-1, 20-2, 24-1, 24-2 with channel structures 22-1, 22-2, 26-1, 26-2 and the fluid connections 28-1 , 28-2, 30-1, 30-2 without channel structures is identical in both flow frame segments 52-1, 52-2. The 2 shows a further embodiment in which the relative arrangement of the fluid connections 20-1, 20-2, 24-1, 24-2 with channel structures 22-1, 22-2, 26-1, 26-2 and the fluid connections 28-1 , 28-2, 30-1, 30-2 without channel structures 20-1, 20-2, 24-1, 24-2 is swapped in the adjacent flow frame segments 52-1, 52-2. In such a configuration, the return fluid connections 24-1, 24-2 are arranged next to one another, which enables simple fluid removal from the outside.

Beispielhaft kann der Flussrahmen 10 gemäß 1 durch zwei zueinander identische Rahmenelemente 56-1, 56-2 gebildet sein, wobei das Rahmenelement 56-2, welches das in 1 rechte Flussrahmensegment 52-2 bildet, im Vergleich zu dem Rahmenelement 56-1, welches das in 1 linke Flussrahmensegment 52-1 bildet, um 180° zu einer orthogonal zu einer von dem Flussrahmen 10 aufgespannten Rahmenebene (in 1 der Zeichenebene entsprechend) verlaufenden Drehachse gedreht ist.By way of example, the flow frame 10 according to 1 be formed by two mutually identical frame elements 56-1, 56-2, the frame element 56-2, which is the in 1 right flow frame segment 52-2 forms, compared to the frame element 56-1, which is the in 1 Left flow frame segment 52-1 forms, by 180 ° to a frame plane orthogonal to a frame plane spanned by the flow frame 10 (in 1 the axis of rotation corresponding to the drawing plane).

Die 3 und 4 zeigen weitere Ausgestaltungen eines aus mehreren Rahmenelementen 56-1, 56-2 modular aufgebauten Flussrahmens 10. Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung begrenzen die Flussrahmensegmente 52-1, 52-2 bzw. Rahmenelemente 56-1, 56-2 jeweils ein entlang der Rahmenachse 54 einseitig oder beidseitig offenes Elektrodenraumsegment 58-1, 58-2 (Rahmenöffnung), sodass durch Zusammensetzen der Rahmenelemente 56-1, 56-2 entlang der Rahmenachse 54 ein durchgehender Elektrodenraum 14 gebildet ist. Durch Hinzufügen weiterer Flussrahmensegmente und somit weiterer Elektrodenraumsegmente (in 3 beispielhaft durch das strichliniert dargestellte Flussrahmensegment 56-3' mit Elektrodenraumsegment 58-3' angedeutet) kann der Elektrodenraum 14 flexibel vergrößert werden.The 3 and 4 show further embodiments of a modular river frame 10 consisting of several frame elements 56-1, 56-2 3 In the embodiment shown, the flow frame segments 52-1, 52-2 or frame elements 56-1, 56-2 each delimit an electrode space segment 58-1, 58-2 that is open on one or both sides along the frame axis 54 (frame opening voltage), so that a continuous electrode space 14 is formed by assembling the frame elements 56-1, 56-2 along the frame axis 54. By adding further flow frame segments and thus further electrode space segments (in 3 the electrode space 14 can be flexibly enlarged.

Bei der in 4 dargestellten Ausgestaltung schließen die Rahmenelemente 56-1, 56-2 jeweils ein Elektrodenraumsegment (Rahmenöffnung) 58-1, 58-2 ein, sodass der Flussrahmen 10 in seiner Gesamtheit eine Mehrzahl von fluidisch getrennten Elektrodenraumsegmenten 58-1, 58-2 umfasst. Durch Hinzufügen weiterer Flussrahmensegmente und somit Elektrodenraumsegmente (in 4 beispielhaft durch das strichliniert dargestellte Flussrahmensegment 56-3' mit Elektrodenraumsegment 58-3' angedeutet) kann insofern der effektive Elektrodenraum 14 flexibel vergrößert werden.At the in 4 In the embodiment shown, the frame elements 56-1, 56-2 each include an electrode space segment (frame opening) 58-1, 58-2, so that the flow frame 10 in its entirety comprises a plurality of fluidically separated electrode space segments 58-1, 58-2. By adding further flow frame segments and thus electrode space segments (in 4 exemplified by the flow frame segment 56-3' shown in dashed lines with electrode space segment 58-3'), the effective electrode space 14 can be flexibly enlarged.

Die vorstehend auf Ebene der Fluidanschlüsse 20, 24, 28, 30 (Primärkanäle) beschriebene segmentierte Fluidführung kann sich optional auch auf Ebene der Kanalstrukturen 22, 26 fortsetzen. Eine beispielhafte Ausgestaltung einer solchen Weiterbildung mit segmentierten Kanalstrukturen 22, 26 ist in 5 schematisch gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung umfassen die Zuführkanalstrukturen 22 und die Rückführkanalstrukturen 26 jeweils eine Mehrzahl von, in dem dargestellten Beispiel vier, Sekundärkanälen 32, welche an unterschiedlichen und voneinander separaten Positionen von dem jeweiligen Fluidanschluss 20,24 abgehen (vgl. Ausschnitt I in 5).The segmented fluid guidance described above at the level of the fluid connections 20, 24, 28, 30 (primary channels) can optionally also continue at the level of the channel structures 22, 26. An exemplary embodiment of such a further development with segmented channel structures 22, 26 is shown in 5 shown schematically. In this embodiment, the supply channel structures 22 and the return channel structures 26 each comprise a plurality of, in the example shown, four, secondary channels 32, which branch off from the respective fluid connection 20, 24 at different and separate positions (see section I in 5 ).

Die Sekundärkanäle 32 münden über separate, voneinander räumlich getrennte Einströmbereiche 34 in den Elektrodenraum 14 ein. Die Einströmbereiche 34 können Verteilerstrukturen zur Verteilung von Elektrolytflüssigkeit in den Elektrodenraum 14 umfassen.The secondary channels 32 open into the electrode space 14 via separate, spatially separated inflow areas 34. The inflow areas 34 can include distribution structures for distributing electrolyte liquid into the electrode space 14.

Die Sekundärkanäle 32 sind entlang ihres kompletten Verlaufs von dem Fluidanschluss 20, 24 zu den Einströmbereichen 34 voneinander fluidisch und elektrisch isoliert, beispielhaft und bevorzugt durch Materialabschnitte 36 des Flussrahmens 10.The secondary channels 32 are fluidically and electrically insulated from one another along their entire course from the fluid connection 20, 24 to the inflow areas 34, for example and preferably by material sections 36 of the flow frame 10.

Die Sekundärkanäle 32 umfassen ihrerseits jeweils eine Mehrzahl von, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Unterkanälen 38 (vgl. Ausschnitt II in 5). Wie aus 5 ersichtlich, münden die Unterkanäle 38 selbst an unterschiedlichen und voneinander separaten Positionen in den Fluidanschluss 20, 24 ein (vgl. Ausschnitt II in 5). Die Unterkanäle 38 sind zumindest abschnittsweise durch Materialabschnitte 40 des Flussrahmens 10 (Stege 42) voneinander getrennt.The secondary channels 32 in turn each comprise a plurality of sub-channels 38, in particular running parallel to one another (see section II in 5 ). How out 5 As can be seen, the sub-channels 38 themselves open into the fluid connection 20, 24 at different and separate positions (see section II in 5 ). The sub-channels 38 are separated from one another at least in sections by material sections 40 of the flow frame 10 (webs 42).

Im Konkreten können die Unterkanäle 38 zumindest abschnittsweise durch lokale Ausnehmungen in einer Rahmenoberfläche des Flussrahmens 10 ausgebildet sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Flussrahmen 10 mit den Kanalstrukturen 22, 26 in einem Spritzgussprozess hergestellt ist. Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass die Kanalstrukturen 22, 26 durch materialabtragende Verfahren ausgebildet sind.Specifically, the sub-channels 38 can be formed at least in sections by local recesses in a frame surface of the flow frame 10. For example, it is conceivable that the flow frame 10 with the channel structures 22, 26 is produced in an injection molding process. In principle, it is also conceivable that the channel structures 22, 26 are formed by material-removing processes.

Wie in 5, Ausschnitt II, dargestellt, können die Stege 42 abschnittsweise unterbrochen sein. Die Unterkanäle 38 können insofern durch Querkanäle 44 miteinander fluidisch verbunden sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass die Unterkanäle 38 entlang ihres gesamten Verlaufs voneinander fluidisch und elektrisch isoliert sind.As in 5 , Section II, shown, the webs 42 can be interrupted in sections. The sub-channels 38 can therefore be fluidly connected to one another through transverse channels 44. In principle, it is also conceivable that the sub-channels 38 are fluidically and electrically insulated from one another along their entire course.

Die 6 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen beispielhaften Verlauf eines Sekundärkanals 32, wobei die Unterkanäle 38 vereinfacht durch Pfeillinien dargestellt sind. Der Sekundärkanal 32 umfasst mehrere, beispielhaft vier, Sekundärkanal-Segmente 46-1, 46-2, 46-3, 46-4, welche jeweils eine Mehrzahl von Unterkanälen 38 aufweisen. Im konkreten Beispiel umfasst das erste Sekundärkanal-Segment 46-1 zwei Unterkanäle 38, das zweite Sekundärkanal-Segment 46-2 drei Unterkanäle 38, das dritte Sekundärkanal-Segment 46-3 zwei Unterkanäle 38 und das vierte Sekundärkanal-Segment 46-4 vier Unterkanäle 38. Insofern kann die Anzahl an Unterkanälen 38 entlang eines Verlaufs des Sekundärkanals 32 von dem Fluidanschluss 20, 24 zu dem Einströmbereich 34 variieren. Wie bei dem Übergang von dem zweiten Sekundärkanal-Segment 46-2 zu dem dritten Sekundärkanal-Segment 46-3 veranschaulicht, kann die Anzahl an Unterkanälen 38 entlang des Verlaufs von dem Fluidanschluss 20, 24 zu dem Elektrodenraum 14 insbesondere auch abnehmen, weiter insbesondere und danach wieder zunehmen.The 6 shows a simplified schematic representation of an exemplary course of a secondary channel 32, the sub-channels 38 being represented in simplified form by arrow lines. The secondary channel 32 includes several, for example four, secondary channel segments 46-1, 46-2, 46-3, 46-4, each of which has a plurality of subchannels 38. In the specific example, the first secondary channel segment 46-1 comprises two subchannels 38, the second secondary channel segment 46-2 three subchannels 38, the third secondary channel segment 46-3 two subchannels 38 and the fourth secondary channel segment 46-4 four subchannels 38. In this respect, the number of sub-channels 38 can vary along a course of the secondary channel 32 from the fluid connection 20, 24 to the inflow region 34. As illustrated in the transition from the second secondary channel segment 46-2 to the third secondary channel segment 46-3, the number of subchannels 38 can in particular also decrease along the course from the fluid connection 20, 24 to the electrode space 14, further in particular and then increase again.

Wie in 6 dargestellt, können die Sekundärkanal-Segmente 46-1, 46-2, 46-3, 46-4 zueinander winklig angeordnet sein, bspw. zueinander orthogonal verlaufen. In vorteilhafter Weise können an Verbindungsstellen 48 zweier Sekundärkanal-Segmente 46, insbesondere an Umlenkpunkten zweier Sekundärkanal-Segmente 46, die Unterkanäle 38 durch ein rasterartiges Kanalnetz 50 miteinander fluidisch verbunden sein (vgl. 3). Beispielhaft können die Stege 42 derart abschnittsweise unterbrochen sein, dass ein rasterartiges Kanalnetz 50 gebildet ist.As in 6 shown, the secondary channel segments 46-1, 46-2, 46-3, 46-4 can be arranged at an angle to one another, for example run orthogonally to one another. Advantageously, at connection points 48 of two secondary channel segments 46, in particular at deflection points of two secondary channel segments 46, the subchannels 38 can be fluidically connected to one another by a grid-like channel network 50 (cf. 3 ). For example, the webs 42 can be interrupted in sections in such a way that a grid-like channel network 50 is formed.

In dem dargestellten Beispiel weisen die Unterkanäle 38 jeweils die gleiche Kanalbreite auf. Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen ist es jedoch auch möglich, dass die Unterkanäle 38 unterschiedliche Kanalbreiten und/oder Kanaltiefen aufweisen. Es ist auch möglich, dass sich eine Kanalbreite eines Unterkanals 38 beim Übergang von einem Sekundärkanal-Segment 46 zu einem anderen Sekundärkanal-Segment 46 verändert. Es ist auch denkbar, dass ein Unterkanal 38 entlang seines Verlaufs innerhalb eines Sekundärkanal-Segments 46 eine variierende Kanalbreite aufweist.In the example shown, the subchannels 38 each have the same channel width. However, in embodiments not shown, it is also possible for the sub-channels 38 to have different channel widths and/or channel depths. It is also possible for a channel width of a subchannel 38 to change during the transition from a secondary channel segment 46 to another secondary channel segment 46. It is also conceivable that a subchannel 38 has a varying channel width along its course within a secondary channel segment 46.

Beispielhaft und bevorzugt beträgt eine Kanalbreite der Unterkanäle 38 zwischen 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm und/oder eine Kanaltiefe (bzw. Höhe) der Unterkanäle 38 zwischen 0,3 und 4 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mm.By way of example and preferably, a channel width of the sub-channels 38 is between 1 and 6 mm, preferably between 2 and 4 mm and/or a channel depth (or height) of the sub-channels 38 is between 0.3 and 4 mm, preferably between 0.5 and 2 mm .

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2018/0062188 A1 [0005]US 2018/0062188 A1 [0005]

Claims

Flussrahmen (10) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Zelle einer Redox-Flow-Batterie, wobei der Flussrahmen (10) wenigstens zwei Flussrahmensegmente (52-1, 52-2) umfasst, welche entlang einer Rahmenachse (54) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Flussrahmensegmente (52-1, 52-2) jeweils ein Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) zur Aufnahme einer Elektrode definieren, und wobei die Flussrahmensegmente (52-1, 52-2) jeweils ein Zuführkanalsystem (16, 16-1, 16-2) zur Zuführung von Elektrolyt in das Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) und ein Rückführkanalsystem (18, 18-1, 18-2) zur Rückführung von Elektrolyt aus dem Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) umfassen, wobei das Zuführkanalsystem (16, 16-1, 16-2) einen Fluidanschluss (20, 20-1, 20-2) umfasst, welcher mit dem Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) über Zuführkanalstrukturen (22, 22-1, 22-2) fluidisch verbunden ist, und wobei das Rückführkanalsystem (18, 18-1, 18-2) einen Fluidanschluss (24, 24-1, 24-2) umfasst, welcher mit dem Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) über Rückführkanalstrukturen (26, 26-1, 26-2) fluidisch verbunden ist.Flow frame (10) for an electrochemical cell, in particular for a cell of a redox flow battery, wherein the flow frame (10) comprises at least two flow frame segments (52-1, 52-2), which are arranged next to one another along a frame axis (54). , wherein the flow frame segments (52-1, 52-2) each define an electrode space segment (58-1, 58-2) for receiving an electrode, and wherein the flow frame segments (52-1, 52-2) each define a feed channel system (16, 16-1, 16-2) for supplying electrolyte into the electrode space segment (58-1, 58-2) and a return channel system (18, 18-1, 18-2) for returning electrolyte from the electrode space segment (58-1, 58-2), wherein the supply channel system (16, 16-1, 16-2) comprises a fluid connection (20, 20-1, 20-2) which is connected to the electrode space segment (58-1, 58-2) via supply channel structures (22, 22-1, 22-2) is fluidically connected, and wherein the return channel system (18, 18-1, 18-2) comprises a fluid connection (24, 24-1, 24-2) which is connected to the electrode space segment ( 58-1, 58-2) is fluidically connected via return channel structures (26, 26-1, 26-2).

Flussrahmen (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenraumsegmente (58-1, 58-2) einen durchgehenden Elektrodenraum (14) bilden.Flow frame (10). Claim 1 , wherein the electrode space segments (58-1, 58-2) form a continuous electrode space (14).

Flussrahmen (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenraumsegmente (58-1, 58-2) voneinander fluidisch getrennt sind.Flow frame (10). Claim 1 , wherein the electrode space segments (58-1, 58-2) are fluidly separated from one another.

Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Fluidanschluss (20, 20-1, 20-2) des Zuführkanalsystems (16, 16-1, 16-2) und der Fluidanschluss (24, 24-1, 24-2) des Rückführkanalsystems (18, 18-1, 18-2) eines Flussrahmensegments (52-1, 52-2) in Bezug auf das Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) dieses Flussrahmensegments (52-1, 52-2) einander diagonal gegenüberliegen, insbesondere punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt des Elektrodenraumsegments (58-1, 58-2) angeordnet sind.Flow frame (10) according to one of the preceding claims, wherein the fluid connection (20, 20-1, 20-2) of the supply channel system (16, 16-1, 16-2) and the fluid connection (24, 24-1, 24-2 ) of the return channel system (18, 18-1, 18-2) of a flow frame segment (52-1, 52-2) in relation to the electrode space segment (58-1, 58-2) of this flow frame segment (52-1, 52-2) Lie diagonally opposite each other, in particular arranged point-symmetrically to a center of the electrode space segment (58-1, 58-2).

Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Flussrahmensegment (52-1, 52-2) zwei weitere, von dem jeweiligen Elektrodenraumsegment (58-1, 58-5) fluidisch getrennte Fluidanschlüsse (28-1, 28-2, 30-1, 30-2) aufweist, wobei bei benachbarten Flussrahmensegmenten (52-1, 52-2) eine relative Anordnung der beiden mit dem Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) fluidisch verbundenen Fluidanschlüsse (20-1, 20-2, 24-1, 24-2) und der beiden von dem Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) fluidisch getrennten Fluidanschlüsse (28-1, 28-2, 30-1, 30-2) vertauscht ist.Flow frame (10) according to one of the preceding claims, wherein each flow frame segment (52-1, 52-2) has two further fluid connections (28-1, 28-2) which are fluidically separated from the respective electrode space segment (58-1, 58-5). 30-1, 30-2), with adjacent flow frame segments (52-1, 52-2) having a relative arrangement of the two fluid connections (20-1, 20-) fluidically connected to the electrode space segment (58-1, 58-2). 2, 24-1, 24-2) and the two fluid connections (28-1, 28-2, 30-1, 30-2) fluidly separated from the electrode space segment (58-1, 58-2) are swapped.

Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Flussrahmensegment (52-1, 52-2) durch wenigstens ein Rahmenelement (56-1, 56-2) gebildet ist, welches eine Rahmenöffnung (12) zumindest abschnittsweise begrenzt, wobei die Rahmenelemente (56-1, 56-2) fluiddicht zu dem Flussrahmen (10) verbunden sind.Flow frame (10) according to one of the preceding claims, wherein each flow frame segment (52-1, 52-2) is formed by at least one frame element (56-1, 56-2) which delimits a frame opening (12) at least in sections, the Frame elements (56-1, 56-2) are connected in a fluid-tight manner to the flow frame (10).

Flussrahmen (10) nach Anspruch 6, wobei die Rahmenelemente (56-1, 56-2) zueinander identisch ausgebildet sind und wobei benachbarte Rahmenelemente (56-1, 56-2) um 180° relativ zueinander verdreht sind.Flow frame (10). Claim 6 , wherein the frame elements (56-1, 56-2) are identical to one another and wherein adjacent frame elements (56-1, 56-2) are rotated by 180 ° relative to one another.

Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zuführkanalstrukturen (22-1, 22-2) und/oder die Rückführkanalstrukturen (26-1, 26-2) jeweils eine Mehrzahl von Sekundärkanälen (32) umfassen, welche an separaten Positionen des jeweiligen Fluidanschlusses (20-1, 20-2) abgehen und über Einströmbereiche (34) in das Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) einmündenFlow frame (10) according to one of the preceding claims, wherein the feed channel structures (22-1, 22-2) and/or the return channel structures (26-1, 26-2) each comprise a plurality of secondary channels (32) which are at separate positions of the respective fluid connection (20-1, 20-2) and flow into the electrode space segment (58-1, 58-2) via inflow areas (34).

Flussrahmen (10) nach Anspruch 8, wobei jeder Sekundärkanal (32) über einen eigenen Einströmbereich (34) in das Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) einmündet, insbesondere wobei die Einströmbereiche (34) der Sekundärkanäle (32) voneinander räumlich getrennt sind.Flow frame (10). Claim 8 , wherein each secondary channel (32) opens into the electrode space segment (58-1, 58-2) via its own inflow area (34), in particular wherein the inflow areas (34) of the secondary channels (32) are spatially separated from one another.

Flussrahmen (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Sekundärkanäle (32) jeweils eine Mehrzahl von, insbesondere parallel verlaufenden, Unterkanälen (38) aufweisen.Flow frame (10) according to one of the Claims 8 or 9 , wherein the secondary channels (32) each have a plurality of, in particular parallel, sub-channels (38).

Flussrahmen (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Unterkanäle (38) zumindest einer Teilmenge der Sekundärkanäle (32) über wenigstens einen Querkanal (44), insbesondere mehrere Querkanäle unterschiedlicher Breite, miteinander fluidisch verbunden sind.Flow frame (10) according to one of the Claims 8 until 10 , wherein the subchannels (38) of at least a subset of the secondary channels (32) are fluidly connected to one another via at least one transverse channel (44), in particular a plurality of transverse channels of different widths.

Flussrahmen (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Sekundärkanäle (32) eine Mehrzahl von Sekundärkanal-Segmenten (46-1, 46-2, 46-3, 46-4) umfassen, welche entlang der Erstreckung des jeweiligen Sekundärkanals (32) von dem Fluidanschluss (20, 24) zu dem Elektrodenraumsegment (58-1, 58-2) hintereinander angeordnet sind.Flow frame (10) according to one of the Claims 8 until 11 , wherein the secondary channels (32) comprise a plurality of secondary channel segments (46-1, 46-2, 46-3, 46-4) which extend along the extent of the respective secondary channel (32) from the fluid connection (20, 24). to the electrode space segment (58-1, 58-2) are arranged one behind the other.

Flussrahmen (10) nach Anspruch 12, wobei zumindest ein Sekundärkanal-Segment (46-3) zumindest eines Sekundärkanals (32) eine geringere Anzahl an Unterkanälen (38) aufweist als ein entlang der Erstreckung dieses Sekundärkanals (32) von dem Fluidanschluss (20, 24) zu dem Einströmbereich (34) vor diesem Sekundärkanal-Segment (46-3) liegendes Sekundärkanal-Segment (46-2).Flow frame (10). Claim 12 , wherein at least one secondary channel segment (46-3) of at least one secondary channel (32) has a smaller number of sub-channels (38) than one along the extent of this secondary channel (32) from the fluid connection (20, 24) to the inflow region (34 ) secondary channel segment (46-2) lying in front of this secondary channel segment (46-3).

Flussrahmen (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei zumindest eine Teilmenge der Sekundärkanal-Segmente (46-1, 46-2, 46-3, 46-4) eines Sekundärkanals (32) eine unterschiedliche Orientierung aufweist und/oder wobei an einem Verbindungspunkt (48), insbesondere Umlenkpunkt, zweier Sekundärkanal-Segmente (46-1, 46-2, 46-3, 46-4) eines Sekundärkanals (32) die Unterkanäle (38) über ein gitterartiges Kanalnetz (50) miteinander verbunden sind.Flow frame (10) according to one of the Claims 12 or 13 , wherein at least a subset of the secondary channel segments (46-1, 46-2, 46-3, 46-4) of a secondary channel (32) have a different orientation and / or where at a connection point (48), in particular a deflection point, two Secondary channel segments (46-1, 46-2, 46-3, 46-4) of a secondary channel (32), the subchannels (38) are connected to one another via a grid-like channel network (50).

Elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, umfassend eine erste und eine zweite Halbzelle, wobei zwischen der ersten und der zweiten Halbzelle eine Membran angeordnet ist, wobei jede Halbzelle einen Flussrahmen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und eine in dem Elektrodenraum des Flussrahmens angeordnete Elektrode umfasst.Electrochemical cell, in particular for a redox flow battery, comprising a first and a second half cell, a membrane being arranged between the first and the second half cell, each half cell having a flow frame (10) according to one of the preceding claims and one in which Electrode space of the flow frame comprises electrode arranged.