WO2022268264A1 - Strukturintegrierte elektrochemische zelle und daraus aufgebauter strukturintegrierter stack - Google Patents

Strukturintegrierte elektrochemische zelle und daraus aufgebauter strukturintegrierter stack Download PDF

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Definitions

  • the application relates to the space-efficient integration of electrochemical reactors, in particular flow reactors, such as flow batteries, fuel cells, electrolyzers or water treatment cells (in particular for capacitive deionization or electrodialysis), in the support and shaping structures of mobile elements or stationary elements of space travel, where In addition to their primary tasks, such as energy storage, energy conversion, basic material production or filtration, the flow reactors can also perform other tasks such as mechanical stiffening of the structures, support for thermal management and/or the absorption of radiation. Electrochemical reactors that are flexible in bending and at the same time pressure-stable (that is to say in particular stable against compressive forces acting from outside) are particularly suitable for this purpose.
  • the pressure stability (which according to the application is essentially understood to mean the mechanical pressure stability) of the reactors, in particular flow reactors, is achieved according to the application by a continuous form fit of the flow cells, also in the area of the electrochemically active cell area, with simultaneous bending flexibility through the use of flexible materials and/or or flexible structures.
  • dimensionally stable porous electrodes such as hard fleece or felt or metal foam, can thus be used to guide the fluid.
  • the multiple use of the flow reactors can also increase the overall system efficiency.
  • Electrochemical flow reactors are known from the prior art, which have at least one anode, at least one cathode and at least one electrolyte, which enables a charge exchange between anode and cathode. In the operating state, fluids flow through the flow reactors, which ensure the reactant supply and removal.
  • Electrochemical flow reactors are usually composed of several electrochemical flow cells, which often have a plate-like and inflexible shape and are connected in a bipolar manner to form a cell stack. These stacks are mostly cuboid, bulky structures that enable the functionality of the flow reactors, but can only be installed in mobile and stationary objects with little space efficiency.
  • a fundamental possibility for accommodating electrochemical reactors in objects in a particularly space-efficient manner would be to integrate the reactors into existing structures, such as the outer and/or partition walls of vehicles or missiles.
  • existing structures such as the outer and/or partition walls of vehicles or missiles.
  • the reactors known from the prior art cannot be adapted to the existing structures and cannot take over the tasks of the replaced structure.
  • a current state of the art approach is to extend the functionality of electrochemical non-flow cells through structural battery composites made of carbon fibers in a structural solid electrolyte matrix, with the chemistry of the non-flow cells being based on lithium iron phosphate.
  • the disadvantages of this approach are, on the one hand, the time-consuming research and development of new cell chemistries that are suitable for the structural materials used to date, and, on the other hand, the exclusive suitability for electrochemical non-flow cells.
  • the present invention is based on the object of overcoming the disadvantages of the prior art and specifying an electrochemical cell which preferably realizes several or all of the following properties: installation space efficiency in mobile and stationary objects, integrability in existing structures, in particular structures or structural elements due to the functionality of the respective mobile or stationary object inevitably arise (e.g.
  • the present invention relates to an electrochemical cell, in particular a redox flow battery, with at least one cell frame and at least one electrode, the cell frame enclosing a cell interior on the peripheral side, the cell frame having at least one feed channel for feeding in a fluid, in particular an electrolyte , into the cell interior and at least one discharge channel for discharging the fluid from the cell interior, and optionally at least one semipermeable membrane and optionally at least one bipolar plate, the cell frame, the electrode and the optionally present semipermeable membrane and the optionally present bipolar plate being essentially positively connected to one another are.
  • the components of the electrochemical cell mentioned are connected to one another in a form-fitting manner, in particular during integration or for integration into a supporting and/or shaping structure of mobile or stationary elements, in particular orthogonally to the membrane plane in the region of the active cell surface or active cell surfaces.
  • the form fit in particular in the area of the active cell surface, can also only be realized through installation in the supporting and/or shaping structure.
  • a form fit is also understood to mean in particular a flush arrangement of the various components, with the components no longer being able to position themselves in relation to one another. According to the application, the form fit also achieves mechanical pressure stability in particular.
  • a non-positive fastening for example by means of a screw connection, or a materially bonded fastening, for example by means of an adhesive
  • mobile elements are understood to mean in particular vehicles (i.e. land vehicles and means of transport, aircraft and spacecraft and watercraft, for example spacecraft, ships or airplanes), and stationary elements of space travel, for example space stations (such as future space stations on the moon).
  • a support and/or shaping structure is understood to mean a structural element of the mobile or stationary structure in which the electrochemical cell is arranged, ie in particular a structural element of the vehicle or the stationary element in space travel.
  • the shaping structure can be, for example, the outer shell or the fuselage of the vehicle, but it can also be a cell, for example in the case of vehicles made up of several modules or cells, in particular spacecraft or space stations, or also a fuselage section, in particular in aircraft.
  • the forming structure will be a structural member which bounds or envelops a cell used by people, or is composed of a plurality of such cells (such as an aircraft fuselage). Passenger cells, control stations or modules of a space station should be mentioned as examples.
  • the support structures can be, for example, transversely, diagonally or longitudinally stiffened load-bearing structures that support an outer skin.
  • the supporting and shaping structure can also be a covering element within a vehicle body or a vehicle cell, within which supporting structures are arranged.
  • electrochemical cell is understood to mean all electrochemical cells known from the prior art. These are known in various configurations and are sometimes also referred to as electrochemical reactors, since electrochemical reactions take place in the electrochemical cells.
  • the electrochemical cells can be designed, for example, as galvanic cells in the form of electrochemical current sources, which supply usable electrical energy through chemical reactions at the various electrodes.
  • the electrochemical cells can also be electrolytic cells that are used in the production of certain products Applying an external voltage are used.
  • the production of hydrogen for fuel cells or the production of oxygen by electrolysis of water is conceivable.
  • Accumulator cells serve alternately as a power source like galvanic cells and also as a power storage device, as in an electrolytic cell.
  • water treatment via electrodialysis or capacitive deionization should be mentioned.
  • the cell is flexible, in particular flexible in bending.
  • the bending flexibility can essentially be achieved through the use of flexible materials and/or flexible structures.
  • Structures that are flexible in bending can be realized, for example, by specifically providing material recesses (for example grooves, grooves or notches or generally V-shaped recesses) in one main surface or both main surfaces in the cell, in particular also in the electrode, which allow an adaptation to geometries allow the structure, in particular support structure, into which the installation takes place.
  • the recesses can be designed in such a way that essentially only a slot remains after installation.
  • the geometry of the recess can be specifically provided (for example by selecting the opening angle of the V-shaped structure) so that during installation it automatically results in the inner geometry of the structure into which it is installed. This is particularly advantageous in the aerospace sector, since the greatest possible flexibility with regard to the specific installation position is required here.
  • Certain materials per se allow a certain bending flexibility (they are then flexible materials), but at the same time have mechanical pressure stability.
  • conductive porous polymers, conductive polymer-based composite materials or egg-type nonwovens or felts and metal foams such as aluminum foam, nickel foam or titanium foam should be mentioned.
  • the cell can be designed in such a way that the surfaces enclosed by the cell frame are arranged at a distance of 0.2 to 100 mm, often 2 to 10 mm, from one another on average.
  • the spacing will be based on the structure being built into; conceivable is, for example, at lunar stations or the like, a relatively large spacing, which also can be over 100 mm.
  • thinner cells should be provided for sufficient flexural strength, in the case of cells with very flexible materials or structures and very large surfaces in the porous electrodes (e.g. with metal foams or with conductive porous polymer assemblies with porosities of preferably more than 90%), very thick geometries can also be realized if necessary.
  • the present invention can be used with all types of electrochemical cells. However, the invention is particularly preferred in connection with accumulator cells and here preferably in connection with redox flow batteries, which themselves have been known for a long time and in various designs. Such designs are described by way of example in EP 0 051 766 A1 and US 2004/0170893 A1. The invention is frequently explained below using redox flow batteries. Except for embodiments that are limited exclusively to redox flow batteries, the disclosure content is also to be understood in relation to electrochemical cells in general.
  • An important advantage of the redox flow batteries lies in the flexible scalability of performance and capacity and thus in their suitability for being able to store very large amounts of energy even with a lower selected performance and vice versa.
  • the energy is stored in electrolytes that can be kept in external tanks.
  • the electrolytes usually have metallic ions of different oxidation states.
  • the electrolytes are pumped through a so-called electrochemical cell.
  • the local separation of energy conversion and storage brings other advantages, such as particularly low self-discharge and theoretically non-existent degradation of the electrodes.
  • the electrolyte container can be used as storage space outside of the cell space, for example outside of the spacecraft, but they can also be located in the same supporting and shaping structures as the electrochemical cells.
  • the structural integration of both the energy converter cells and the energy storage tanks is possible, so that these represent part of the outer shell or the fuselage of the vehicle, for example the spacecraft, for example in two or more layers.
  • the energy storage tanks can be filled with the storage media either before transport to the place of action or after reaching the place of action by means of an additional supply mission.
  • the electrochemical cell according to the application is generally formed from two half-cells which are separated from one another by a separator in the form of a semi-permeable membrane and each have an electrolyte and an electrode.
  • the purpose of the semipermeable membrane is to spatially and electrically separate the cathode and the anode of an electrochemical cell.
  • the semi-permeable membrane must therefore be permeable to ions, which convert the stored chemical energy into electrical energy or vice versa.
  • Semipermeable membranes can be formed, for example, from microporous plastics and nonwovens made from glass fiber or polyethylene and so-called diaphragms.
  • Redox reactions take place at both electrodes of the electrochemical cell, with the electrolytes releasing electrons at one electrode and accepting electrons at the other electrode.
  • the metallic and/or non-metallic ions of the electrolytes form redox pairs and consequently generate a redox potential.
  • the electrodes of a cell between which a potential difference forms as a result of the redox potentials, are outside the cell, e.g. B. via an electrical load, electrically connected to each other. While the electrons pass from one half-cell to the other outside the cell, ions from the electrolyte pass directly from one half-cell to the other half-cell through the semi-permeable membrane.
  • a charger can be connected to the electrodes of the half-cells instead of the electrical consumer, for example by means of a charger Potential difference are applied, through which the redox reactions taking place at the electrodes of the half-cells are reversed.
  • Cell frames that enclose a cell interior are used, inter alia, to form the cell described.
  • the cell frames typically do not enclose the cell interior completely, but only along a peripheral narrow side.
  • the cell frame therefore runs around the circumference of the cell interior and separates two opposite, larger-area sides from one another, which in turn are assigned to a semipermeable membrane or an electrode.
  • the thickness of the cell frame, which is formed by the edge of the cell frame, is typically significantly less than the width and the height of the cell frame, which define the larger-area opposite sides.
  • Each half-cell of the electrochemical cell includes a cell frame of this type, which is produced, for example, from a thermoplastic material by injection molding.
  • a semi-permeable membrane is arranged between two cell frames, which separates the electrolytes of the half-cells from one another with regard to a convective exchange of substances, but allows certain ions to diffuse from one half-cell into the other half-cell.
  • an electrode is assigned to each of the cell interiors in such a way that they are in contact with the electrolyte flowing through the cell interiors. The electrodes can, for example, close off the cell interior of each cell frame on the side facing away from the semipermeable membrane.
  • the cell interior can remain essentially free and only be filled with one electrolyte at a time; alternatively, the respective electrode can also be provided at least partially in the cell interior.
  • the electrode is then typically designed in such a way that the electrolyte can partially flow through the electrode.
  • electrodes with a high specific surface come into consideration here, on which the corresponding electrochemical reactions can take place correspondingly quickly and/or comprehensively.
  • the cell interiors are usually closed by the electrode on the side facing away from the semipermeable membrane even when the electrode protrudes into the cell interior.
  • bipolar plates which can be coated with a catalyst or another substance, can also be used as electrodes.
  • Each cell frame has openings and channels through which the corresponding electrolyte can flow from a supply line into the respective cell interior and can be withdrawn from there and fed to a disposal line.
  • the electrolytes of the half-cells are pumped from a storage tank to a collection tank via the supply line and the disposal line. This allows the electrolytes to be reused, which consequently do not have to be discarded or replaced.
  • a redox flow battery comprises only a single cell
  • supply lines for each half-cell and disposal lines for each half-cell are located outside the cell frames forming the half-cells.
  • Each cell frame has at least two openings, at least one of which is connected to a supply line, while the at least one other opening is connected to the disposal line.
  • each port is connected to a flow channel that opens to the cell interior. This allows electrolyte to be supplied from the supply line to the cell interior via a supply channel and the electrolyte that has flowed through the cell interior to be discharged via a discharge channel.
  • the respective supply channel and/or discharge channel can branch one or more times between the outer opening and the cell interior, i.e. in the area of the frame jacket of the cell frame be.
  • a number of separate supply channels and/or discharge channels for supplying and discharging electrolyte can be provided in the cell frame. In both cases, the electrolyte enters the cell interior distributed as evenly as possible via the outlet openings of the supply channels on one side of the cell frame and exits the cell interior again as evenly distributed as possible via the discharge channels on the other side of the cell frame.
  • the feed channels are connected to the supply line via inlet openings. That's how he can Electrolyte from the supply line through the at least one feed channel of the cell frame of each half-cell into the corresponding cell interior.
  • a plurality of electrochemical cells of the same type are combined in a redox flow battery.
  • the cells are usually stacked on top of each other, which is why the entirety of the cells is also referred to as a cell stack or cell stack.
  • the electrolytes usually flow through the individual cells parallel to one another, while the cells are usually electrically connected in series.
  • the cells are usually connected hydraulically in parallel and electrically in series. In this case, the state of charge of the electrolytes is the same in one of the half-cells of the cell stack.
  • half-cells are connected to one another with supply and disposal lines.
  • each half-cell or each cell interior of a cell has a different electrolyte flowing through it, the two electrolytes must be separated from one another while passing through the cell stack. Therefore, as a rule, two separate supply lines and two separate disposal lines are provided along the cell stack.
  • Each of these channels is usually partially formed by the cell frames themselves, which have four openings for this purpose. The openings extend along the cell stack and form the supply and disposal lines, arranged one behind the other and, if necessary, separated from one another by sealing materials. In the case of such cell stacks, one will often select an embodiment with flexible electrode materials, but an embodiment with flexible structures or mixed forms of the two are also conceivable.
  • the electrodes in at least one of the half-cells reach at least partially into the cell interior, are porous and have the corresponding electrolyte flowing through them.
  • the electrochemical cell according to the application has an at least partially porous electrode in the cell interior for the electrolyte to flow through from the at least one supply channel to the at least one discharge channel. Since the porous section of the electrode is different from a non-porous section of the electrode that is also possible the electrolyte can flow through, the space occupied by the porous section of the electrode is assigned to the cell interior, which is plausible in particular from a functional point of view.
  • the porous section of the electrode can be designed in one piece or in multiple pieces, with a one-piece configuration being possible for the sake of simplicity.
  • the porous electrode can be made of a conductive porous polymer, a conductive polymer-based composite material (e.g. a composite made of a larger proportion of polypropylene or polyethylene and a smaller proportion of graphite and carbon black), a fleece or felt-like material, such as graphite fleece and/or consist of a metal foam or comprise one or more of these materials.
  • a metal foam structure is understood here, based on the general definition of foam, as an association of two-phase systems that is formed from gaseous areas that are separated by solid metal walls (solid foam). Depending on the manufacturing process, the structures of the porous metals can look very different.
  • the term metal foam is also used in the prior art as a synonym for porous metals that have very different properties.
  • the common characteristic feature is the high porosity of the structures, usually more than 90%, and their targeted production. Therefore, according to the application, metal meshes, fleece-like or felt-like structures and, in general, open-pored structures based on fibers or fabrics (such as fabrics and knitted fabrics) are also counted among the metal foams.
  • the metal foam according to the application can consist of a metal (also of an alloy), but it can also be a metal structure whose surface (to ensure improved chemical stability with respect to the fluid or the electrolyte, for example) is coated, in particular the entire the fluid-facing surface of the metal foam.
  • a metal-coated (for example polymer-based) base structure can also be used, as is possible with metalized textiles, for example, if this is feasible from the point of view of the egg production process.
  • metal foams with at least partially open-pored structures are required in order to ensure transport of the electrolytes.
  • the pores of an open-pored area are connected to each other.
  • the production of metal foams is known from the literature and can be done, for example, by:
  • the porosity of the electrode provides a significantly larger interface between the electrode and the electrolyte, which favors the processes and reactions taking place in the corresponding interface. In particular, the processes and reactions run faster and/or more extensively.
  • a porous portion of the electrode is provided in the cell interior and electrically conductively connected to a non-porous portion of the electrode. Electrolyte cannot pass through the non-porous portion of the electrode, unlike the porous portion of the electrode. This can be used to at least partially close the cell interior. Closing the cell interior is particularly useful on a side of the cell frame that is opposite a semipermeable membrane and can in turn close the cell interior on the corresponding side. The cell interior is closed by the cell frame itself on the sides defining the length and width of the cell frame by the electrode and the semipermeable membrane and on the narrow sides of the cell frame defining the height or thickness of the cell frame.
  • the cell interior over the at least electrolyte can be supplied via a feed channel and/or electrolyte can be removed via the at least one discharge channel.
  • a cell stack can also be formed very easily and efficiently from a plurality of electrochemical cells stacked one on top of the other.
  • the non-porous section of the electrode can be in the form of a bipolar plate.
  • the use of bipolar plates in combination with porous electrodes has already been provided for in a number of known electrochemical cells. For the sake of simplicity, a similar configuration also appears to be advantageous here.
  • the form-fitting and often also flexurally flexible structure of the cell according to the invention can also be realized if the electrode is not porous, for example even if non-porous electrodes with an integrated fluid guide are used.
  • the pressure loss of the electrolyte across the cell interior can be reduced in that the flow of the electrolyte through the cell interior is more uniform.
  • at least one preferably rectangular flow channel can be embedded in the electrode.
  • the flow channel is characterized in that the free flow cross section in the flow channel is significantly larger, in particular by a multiple, than the average pore diameter of the porous section of the electrode. Electrolyte can then get into the pores of the electrode via the flow channel. Alternatively or additionally, electrolyte escaping from the pores of the electrode can be collected in the flow channel. Against this background, it is also particularly useful if the at least one flow channel is embedded in the porous section of the electrode.
  • the at least one flow channel is connected to an inlet opening and/or outlet opening. Then the electrolyte to be distributed can be distributed via the flow channel in the porosity of the electrode and/or the electrolyte to be collected can be collected via the flow channel.
  • the flow of the electrolyte can be distributed uniformly to the cell interior of the cell frame if the flow channels adjoining at least one inlet opening and the flow channels adjoining at least one outlet opening are alternately provided in at least one direction. In this case, this direction is preferably aligned parallel to a plane defined by the cell frame.
  • the use of flexible and at the same time mechanically pressure-resistant electrochemical flow reactors can be integrated directly into supporting and shaping structures of mobile and stationary elements, which can lead to greater installation space efficiency and, as a result of the multiple use of the flow reactors, to a higher overall system efficiency. Since only the design of the electrochemical flow cells and, above all, the electrode material have to be adapted for this purpose, there is no need for time-consuming research and development of new cell chemistries and cell chemistries that are already known, in particular those with particularly high energy and/or power densities, can also be used .
  • the mechanical pressure stability of the flow reactors is achieved through a continuous form fit of the flow cells, also in the area of the electrochemically active cell surface, with simultaneous bending flexibility through the use of flexible materials and/or structures achieved.
  • the cells are essentially designed in a form-fitting manner, whereby essentially form-fitting means that a certain degree of positional flexibility of the cell components may (but does not always have to) be necessary for the installation of the cell in a specific structure, but in the installed state a complete form-fitting of the battery cell components is realized.
  • Position flexibility means that a membrane, bipolar plate or even an electrode (for example when using a metal mesh) cannot yet be in a tensioned state when it is not yet installed. The tension is typically generated by the installation).
  • the installed cell In contrast to the uninstalled cell, the installed cell usually no longer has any flexibility in terms of position, but will generally still be flexible to a certain extent.
  • particularly dimensionally stable porous electrodes, such as metal foam, in particular meshes and fleece-like or felt-like structures can thus be used for fluid guidance.
  • the flexural flexibility will be significantly lower in the installed state than in the non-installed state, and there will often be essentially no more flexural flexibility.
  • a degree of flexural flexibility is required only to tolerate mechanical stresses (such as those encountered during the launch of a rocket or aircraft) imposed on the support or shaping structure into which the cell is incorporated.
  • essentially no bending flexibility therefore means that the bending flexibility can disappear during installation to the extent that only the mechanical stress on the mobile or stationary element (or their substructures) has to be taken into account and these mechanical stresses are absorbed by the residual bending flexibility can.
  • stabilization structures can be arranged in the cell, which allow force absorption in the direction of the compressive forces acting on the cell.
  • stabilization structures in the manner of a honeycomb, in which the individual honeycomb elements are perforated in order to allow the fluid to flow through, or else columnar stabilization structures arranged between the semipermeable membrane and the bipolar plate.
  • a structure like a honeycomb can be the honeycomb itself, but it can also be a rhombus or a square or—in the case of more curved and non-planar geometries, for example, partial surfaces of a Archimedean or Platonic solid.
  • Recesses can be specifically provided for such stabilization structures in the geometries of the electrodes used, so that these stabilization structures are integrated into the electrode or electrode layer.
  • an electrode material can be used which (despite being flexible in bending) does not cause any mechanical stabilization of the overall structure of the electrochemical cell, for example a soft fleece. Any known, in particular porous, electrode materials are therefore possible in this embodiment.
  • the flexurally flexible and at the same time mechanically pressure-resistant electrochemical flow reactors can be integrated into supporting and shaping structures of mobile and stationary elements and, in addition to their primary tasks, such as energy storage, energy conversion, basic material production or filtration, they can also perform other tasks, such as mechanical stiffening of the structures, the support of thermal management or the absorption of radiation.
  • One example is the integration of flexible and pressure-resistant redox flow battery cells into the supporting structure of the modules of a space station.
  • the electrochemical flow cells can be arranged in segments or circumferentially on the cylindrical structure.
  • redox flow batteries Due to the purely catalytic effect of the functional components of redox flow batteries, these have an enormous cycle stability and service life and should therefore be operational over the entire service life of space station modules equipped with them. This would eliminate the need for costly, time-consuming, and resource-intensive battery replacement missions.
  • the redox flow battery cells can mechanically stiffen the support structure due to the pressure stability and, thanks to the circulating liquid electrolytes, Support thermal management and possibly even absorb cosmic radiation.
  • water treatment reactors and reactors for electrochemical oxygen generation could also be integrated into the support structure of the space station modules.
  • Figure 1 shows an electrochemical flow reactor according to the prior art with two half-cells, each containing an end electrode (1 1, 12) and a Flalbzellraum with graphite fleece electrode (13, 14).
  • Each Flalbzellraum is filled with a fluid, the fluid can be circulated by means of a pump (20).
  • the fluid includes an electrolyte having a redox active species; in Figure 1 therefore shows an electrolyte tank with an electrolyte with a redox-active species A (22) and an electrolyte tank with an electrolyte with a redox-active species B (23).
  • the electrolyte enables a charge exchange between anode and cathode, with ions being able to diffuse through a membrane (5) both during the charging process (1) and during the discharging process (2).
  • FIG. 2 shows an electrochemical flow reactor according to the prior art, which is made up of a number of electrochemical flow cells which are connected to form a cell stack.
  • the individual flow cells are connected to one another via bipolar plates (10); membranes (15) are arranged between the half-cells.
  • Figure 3 shows a bipolar sandwich structure of an electrochemical flow reactor (100) formed from electrochemical cells according to the application with porous electrodes (11, 12) (in this embodiment made of a flexible metal foam), bipolar plates (10) and membranes (15).
  • porous electrodes (11, 12) in this embodiment made of a flexible metal foam
  • bipolar plates (10) in this embodiment made of a flexible metal foam
  • membranes 15
  • the arrowheads point to the installation of this battery in the outer shell (51), which at the same time forms a cylindrical support structure and shaping structure, of a space station module (50).
  • FIG. 4 shows detailed views of a cylindrical shaping structure (52) at the top left and right.
  • This can be, for example, the shaping structure of a space station module (50).
  • Bottom left is in Figure 4 the structural integration of the electrochemical flow reactor (100) shown in the shaping structure (52).
  • Bracing elements (60) for mechanical stabilization can also be seen here.
  • the electrochemical flow reactor (100) is arranged in a form-fitting manner between the inner shell (61b) and the outer shell (61a).
  • FIG. 5 shows on the left another embodiment of a cylindrical shaping structure (52), which can be the shaping structure of a space station module (50).
  • a cylindrical shaping structure 52
  • an energy storage tank 70
  • the shell of the spacecraft in addition to the electrochemical flow reactor (100), an energy storage tank (70) is integrated into the shell of the spacecraft.
  • FIG. 6 shows an electrode (20) with a flexible structure before and after installation in a structural element of a mobile or stationary object.
  • the bending flexibility (before installation) is realized here by V-shaped material cutouts (30).
  • the material recesses are only slit-shaped; the electrode (20) has the shape of a cylinder segment or was adapted during installation to the structure of the mobile or stationary object, which is cylindrical here.
  • FIG. 7 shows electrochemical flow cells through which flow can take place at the top, with additional stabilization structures.
  • the upper embodiments show flow cells with stabilization structures in the manner of a honeycomb (40)—on the left with rhombic stabilization structures (41), on the right with honeycomb stabilization structures (42); the lower embodiment shows a flow cell with columnar stabilization structures (45), in which the columnar stabilization structures (46) allow force absorption in the direction of the pressure forces acting on the cell.
  • the cells each have a plurality of inflow openings and outflow openings (both denoted by 25).

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Abstract

Die Anmeldung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, und einen Stack mit einem Zellverbund aus zwei oder mehreren deratigen elektrochemischen Zellen. Die Zelle weist wenigstens einen Zellrahmen und wenigstens eine Elektrode auf, wobei der Zellrahmen einen Zellinnenraum umfangsseitig umschließt, wobei der Zellrahmen wenigstens einen Zuführkanal zum Zuführen eines Fluids in den Zellinnenraum und wenigstens einen Abführkanal zum Abführen des Fluids aus dem Zellinnenraum aufweist, sowie gegebenenfalls mindestens einer semipermeablen Membran und gegebenenfalls mindestens einer Bipolarplatte. Dabei sind der Zellrahmen, die Elektrode und die gegebenenfalls vorhandene semipermeable Membran und die gegebenenfalls vorhandene Bipolarplatte im Wesentlichen formschlüssig miteinander verbunden, insbesondere aber im im Bereich der aktiven Zellfläche im Wesentlichen formschlüssig miteinander verbunden. Eine derartige Zelle ist insbesondere geeignet für Anwendungen in der Luft-, Schiff- und Raumfahrt.

Description

Patentanmeldung:
Strukturintegrierte elektrochemische Zelle und daraus aufgebauter strukturintegrierter Stack
Anmelderin:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Anmeldung betrifft die bauraumeffiziente Integration von elektrochemischen Reaktoren, insbesondere Flussreaktoren, wie Flow-Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyseuren oder Wasseraufbereitungszellen (insbesondere zur kapazitiven Deionisation oder zur Elektrodialyse), in die Stütz- und Formgebungsstrukturen von mobilen Elementen oder von stationären Elementen der Raumfahrt, wobei die Flussreaktoren neben ihren Primäraufgaben, wie der Energiespeicherung, Energiewandlung, Grundstoffherstellung oder Filtration, auch weitere Aufgaben wahrnehmen können, wie der mechanischen Versteifung der Strukturen, der Unterstützung des Thermomanagements und/oder der Absorbierung von Strahlung. Insbesondere geeignet sind dafür biegeflexible und gleichzeitig druckstabile (also insbesondere gegen von außen wirkende Druckkräften stabile) elektrochemische Reaktoren.
Die Druckstabilität (worunter anmeldungsgemäß im Wesentlichen die mechanische Druckstabilität verstanden wird) der Reaktoren, insbesondere Flussreaktoren, wird dabei anmeldungsgemäß durch einen durchgängigen Formschluss der Flow-Zellen, auch im Bereich der elektrochemisch aktiven Zellfläche, bei gleichzeitiger Biegeflexibilität durch den Einsatz von biegeflexiblen Materialien und/oder biegeflexiblen Strukturen erreicht. Zur Fluidführung können somit beispielsweise formstabile poröse Elektroden, wie Hartvlies bzw. -filz oder Metallschaum, genutzt werden. Neben der hohen Bauraumeffizienz kann durch die Mehrfachnutzung der Flussreaktoren auch die Gesamtsystemeffizienz gesteigert werden.
Aus dem Stand der Technik sind elektrochemische Flussreaktoren bekannt, die mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode sowie mindestens einen Elektrolyten, der einen Ladungsaustausch zwischen Anode und Kathode ermöglicht, umfassen. Im Betriebszustand werden die Flussreaktoren von Fluiden durchströmt, welche für die Reaktandenzuführung und -abführung sorgen.
Elektrochemische Flussreaktoren setzen sich meist aus mehreren elektrochemischen Flow-Zellen zusammen, die oftmals eine plattenförmige und unflexible Gestalt aufweisen und bipolar zu einem Zellstack verbunden sind. Diese Stacks sind dabei meist quaderförmige, sperrige Gebilde, welche zwar die Funktionalität der Flussreaktoren ermöglichen, jedoch nur mit wenig Bauraumeffizienz in mobilen und stationären Objekten verbaut werden können.
Eine grundsätzliche Möglichkeit, um elektrochemische Reaktoren besonders bauraumeffizient in Objekten unterzubringen, würde in der Integrierung der Reaktoren in bereits vorhandene Strukturen bestehen, wie den Außen- und/oder Zwischenwänden von Fahrzeugen oder Flugkörpern. Die nach dem Stand der Technik bekannten Reaktoren lassen sich jedoch förmlich nicht an die vorhandenen Strukturen anpassen und können auch die Aufgaben der ersetzten Struktur nicht übernehmen .
Ein nach dem Stand der Technik aktuell verfolgter Ansatz besteht in der Erweiterung der Funktionalität elektrochemischer Non-Flow-Zellen durch strukturelle Batterieverbund werkstoffe aus Kohlenstofffasern in einer strukturellen Feststoffelektrolytmatrix, wobei die Chemie der Non-Flow-Zellen auf Lithium-Eisenphosphat basiert. Die Nachteile dieser Fierangehensweise sind zum einen die aufwendige Erforschung und Entwicklung neuer Zellchemien, die sich für die bis dato eingesetzten Strukturwerkstoffe eignen, und zum anderen die ausschließliche Eignung für elektrochemische Non-Flow-Zellen.
Der vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und eine elektrochemische Zelle anzugeben, die bevorzugt mehrere oder alle der nachfolgenden Eigenschaften verwirklicht: Bauraumeffizienz in mobilen und stationären Objekten, Integrierbarkeit in vorhandene Strukturen, insbesondere Strukturen oder Strukturelemente die aufgrund der Funktionalität des jeweiligen mobilen oder stationären Objekts zwangsläufig ergeben, (z.B. in die zylinder- oder quaderförmige Hülle von Raumflugkörpern) Flexibilität, insbesondere Biegeflexibilität (insbesondere um eine Anpassbarkeit an Bogenebenen der Strukturen realisieren zu können), mechanische Druckstabilität (insbesondere um die primäre Funktionalität der elektrochemischen Zelle in der jeweiligen Einsatzumgebung zu gewährleisten) und daneben gegebenenfalls auch zur Realisierung von weiteren Aufgaben, wie der mechanischen Versteifung der Strukturen, der Einsetzbarkeit für möglichst viele Zellchemien (insbesondere in Bezug auf die zulässige Viskosität der eingesetzten Fluide) sowie der chemischen und elektrochemischen Beständigkeit der eingesetzten Komponenten der Zelle, wie Elektroden und Membranen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Unteransprüche und die Beschreibung lehren vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft nach dem Elauptanspruch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen und wenigstens einer Elektrode, wobei der Zellrahmen einen Zellinnenraum umfangsseitig umschließt, wobei der Zellrahmen wenigstens einen Zuführkanal zum Zuführen eines Fluids, insbesondere eines Elektrolyts, in den Zellinnenraum und wenigstens einen Abführkanal zum Abführen des Fluids aus dem Zellinnenraum aufweist, sowie gegebenenfalls mindestens einer semipermeablen Membran und gegebenenfalls mindestens einer Bipolarplatte wobei der Zellrahmen, die Elektrode und die gegebenenfalls vorhandene semipermeable Membran und die gegebenenfalls vorhandene Bipolarplatte im Wesentlichen formschlüssig miteinander verbunden sind.
Die genannten Komponenten der elektrochemischen Zelle sind dabei insbesondere bei der Integration bzw. zur Integration in eine Stütz- und/oder Formgebungsstruktur von mobilen oder stationären Elementen formschlüssig miteinander verbunden, insbesondere orthogonal zur Membranebene im Bereich der aktiven Zellfläche bzw. der aktiven Zellflächen. Der Formschluss, insbesondere im Bereich der aktiven Zellfläche, kann dabei auch erst durch den Einbau in die Stütz- und/oder Formgebungsstruktur realisiert sein. Unter Formschluss wird dabei insbesondere auch eine bündige Anordnung der verschiedenen Komponenten verstanden, wobei keine Lageflexibilität der Komponenten zueinander mehr besteht. Durch den Formschluss wird anmeldungsgemäß insbesondere auch eine mechanische Druckstabilität erreicht. Zusätzlich zum Formschluss kann dennoch eine kraftschlüssige Befestigung, z.B. mittels Schraubenverbindung, oder eine stoffschlüssge Befestigung, z.B. mittels eines Klebstoffs, vorgesehen sein. Unter mobilen Elementen werden dabei anmeldungsgemäß insbesondere Fahrzeuge verstanden (also Landfahrzeuge und -beförderungsmittel, Luft- und Raumfahrzeuge sowie Wasserfahrzeuge, beispielsweise Raumflugkörper, Schiffe oder Flugzeuge ), unter stationären Elementen der Raumfahrt, beispielsweise Raumstationen (etwa zukünftige Raumstationen auf dem Mond).
Unter einer Stütz- und/oder Formgebungsstruktur wird dabei ein Strukturelement der mobilen oder stationären Struktur verstanden, in der die elektrochemische Zelle angeordnet ist, also insbesondere ein Strukturelement des Fahrzeugs oder des stationären Elementes der Raumfahrt. Es kann sich bei der Formgebungsstruktur beispielsweise um die äußere Hülle oder den Rumpf des Fahrzeugs handeln, es kann sich aber auch um eine Zelle handeln, beispielsweise bei aus mehreren Modulen oder Zellen aufgebauten Fahrzeugen, insbesondere Raumflugkörpern oder Raumstationen, oder auch um eine Rumpfsektion, insbesondere bei Luftfahrzeugen. Üblicherweise wird es sich bei der Formgebungsstruktur um ein Strukturelement handeln, das eine von Personen benutzte Zelle begrenzt oder umhüllt oder das aus mehreren derartigen Zellen zusammengesetzt ist (wie beispielsweise ein Flugzeugrumpf). Exemplarisch genannt werden sollen beispielsweise Fahrgastzellen, Steuerstände oder Module einer Raumstation. Bei den Stützstrukturen kann es sich beispielsweise um quer-, diagonal- oder längsversteifte Tragkonstruktionen handeln, die eine Außenhaut stützen. Bei der Stütz- und Formgebungsstruktur kann es sich aber auch um ein Verkleidungselement innerhalb eines Fahrzeugrumpfs oder einer Fahrzeugzelle handeln, innerhalb derer Stützstrukturen angeordnet sind.
Unter einer anmeldungsgemäßen elektrochemischen Zelle werden alle nach dem Stand der Technik bekannten elektrochemischen Zellen verstanden. Diese sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden teilweise auch als elektrochemische Reaktoren bezeichnet, da in den elektrochemischen Zellen elektrochemische Reaktionen ablaufen. Die elektrochemischen Zellen können je nach ihrer Verwendung beispielsweise als galvanische Zellen in Form von elektrochemischen Stromquellen ausgebildet sein, die durch chemische Reaktionen an den verschiedenen Elektroden nutzbare elektrische Energie liefern. Alternativ können die elektrochemischen Zellen aber auch Elektrolysezellen sein, die der Produktion bestimmter Produkte durch Anlegen einer äußeren Spannung dienen. Denkbar ist beispielsweise die Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen oder die Erzeugung von Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser. Akkumulatorzellen dienen im Wechsel wie galvanische Zellen als Stromquelle und zudem als Stromspeicher, wie bei einer Elektrolysezelle. Abschließend sei noch die Wasseraufbereitung über Elektrodialyse oder kapazitive Deionisation genannt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Zelle flexibel, insbesondere biegeflexibel, ausgebildet. Die Biegeflexibilität kann im Wesentlichen durch den Einsatz biegeflexibler Materialien und/oder biegeflexibler Strukturen erreicht werden.
Biegeflexible Strukturen können beispielsweise realisiert werden, indem in der Zelle, insbesondere auch in der Elektrode, gezielt Materialaussparungen (denkbar sind beispielsweise Rillen, Nuten oder Einkerbungen oder generell V-förmige Aussparungen) in einer Elauptoberfläche oder beiden Elauptoberflächen vorgesehen sind, die eine Anpassung an Geometrien der Struktur, insbesondere Stützstruktur, erlauben, in die der Einbau erfolgt. Die Aussparungen können dabei so ausgebildet sein, dass nach dem Einbau im Wesentlichen nur noch ein Schlitz verbleibt. Anders ausgedrückt kann durch die Geometrie der Aussparung gezielt so vorgesehen sein (beispielsweise durch Wahl des Öffnungswinkels der V-förmigen Struktur), dass sie während des Einbaus automatisch die Innengeometrie der Struktur ergibt, in die eingebaut wird. Insbesondere im Bereich der Raumfahrt ist dies von Vorteil, da hier eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich der konkreten Einbauposition gefordert.
Bestimmte Materialien erlauben per se eine gewisse Biegeflexibilität (es handelt sich dann also um biegeflexible Materialien), weisen gleichzeitig aber eine mechanischer Druckstabilität auf. Hier sind beispielsweise leitfähige poröse Polymere, leitfähige polymerbasierte Verbundwerkstoffe oder Eiartvliese bzw. -filze sowie Metallschäume wie beispielsweise Aluminiumschaum, Nickelschaum oder Titanschaum zu nennen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Zelle derart ausgebildet sein, dass die vom Zellrahmen umschlossenen Flächen im Mittel 0,2 bis 100 mm oftmals 2 bis 10 mm, voneinander beabstandet angeordnet sind. Typischerweise wird der Abstand allerdings an der Struktur orientiert sein, in die eingebaut wird; denkbar ist beispielsweise bei Mondstationen oder dergleichen eine verhältnismäßig große Beabstandung, die auch über 100 mm liegen kann. Bei vergleichsweise steifen Elektrodenmaterialien sind dabei für eine ausreichende Biegefestigkeit eher dünnere Zellen vorzusehen, bei Zellen mit sehr biegeflexiblen Materialien oder Strukturen und sehr großen Oberflächen in den porösen Elektroden (wie z. B. bei Metallschäumen oder bei leitfähigen porösen Polymerverbänden mit Porositäten von vorzugsweise mehr als 90 %) können gegebenenfalls auch sehr dicke Geometrien realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung kann bei allen Arten von elektrochemischen Zellen genutzt werden. Besonders bevorzugt ist die Erfindung aber im Zusammenhang mit Akkumulatorzellen und hier bevorzugt im Zusammenhang mit Redox-Flow-Batterien, die selbst bereits lange und in verschiedenen Ausführungen bekannt sind. Solche Ausführungen sind beispielhaft in der EP 0 051 766 A1 und der US 2004/0170893 A1 beschrieben. Im Folgenden wird die Erfindung häufig anhand der Redox-Flow-Batterien erläutert. Außer bei Ausführungsformen, die sich ausschließlich auf Redox-Flow-Batterien beschränken, ist der Offenbarungsgehalt aber auch in Bezug auf elektrochemische Zellen generell zu verstehen.
Ein wichtiger Vorteil der Redox-Flow-Batterien liegt in der flexiblen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität und damit in ihrer Eignung, auch bei geringer gewählter Leistungsfähigkeit sehr große Mengen an Energie speichern zu können und umgekehrt. Die Energie wird dabei in Elektrolyten gespeichert, die in externen Tanks bereitgehalten werden können. Die Elektrolyte weisen meist metallische Ionen unterschiedlicher Oxidationsstufen auf. Zur Entnahme von elektrischer Energie aus den Elektrolyten oder zum Wiederaufladen derselben werden die Elektrolyte durch eine sogenannte elektrochemische Zelle gepumpt. Neben der individuellen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität bringt die örtliche Trennung von Energiewandlung und -Speicherung weitere Vorteile, wie eine besonders geringe Selbstentladung und eine theoretisch nicht vorhandene Degradation der Elektroden, mit sich. Für die Raumfahrt ergibt sich die Möglichkeit die Elektrolyttanks in gesonderten Transporten zu den Einsatzorten zu bringen und erst vor Ort mit den in die Module oder Stationen integrierten Redox-Flow- Batteriezellen zu koppeln, was eine größere Dimensionierung von Leistung und Kapazität bei festen Transportkapazitäten ermöglicht. Die Elektrolytbehälter können als Speicherbauraum außerhalb des Zellbauraums, beispielsweise außen an den Raumflugkörpern, angeordnet sein, sie können aber auch in denselben Stütz- und Formgebungsstrukturen wie die elektrochemischen Zellen angeordnet sein. Insbesondere ist die Strukturintegrierung sowohl der Energiewandlerzellen als auch der Energiespeichertanks möglich, so dass diese beispielsweise in zwei oder mehr Schichten einen Teil der äußeren Hülle oder des Rumpfes des Fahrzeugs, beispielsweise des Raumflugkörpers, darstellen. Die Energiespeichertanks können entweder bereits vor dem Transport zum Einsatzort oder nach dem Erreichen des Einsatzortes, durch eine zusätzliche Versorgungsmission, mit den Speichermedien gefüllt werden.
Die anmeldungsgemäße elektrochemische Zelle wird in der Regel aus zwei Halbzellen gebildet, die über einen Separator in Form einer semipermeablen Membran voneinander getrennt sind und jeweils einen Elektrolyt und eine Elektrode aufweisen. Die semipermeable Membran hat die Aufgabe, die Kathode und die Anode einer elektrochemischen Zelle räumlich und elektrisch voneinander zu trennen. Die semipermeable Membran muss daher für Ionen durchlässig sein, welche die Umwandlung der gespeicherten chemischen in elektrische Energie oder umgekehrt bewirken. Semipermeable Membranen können beispielsweise aus mikroporösen Kunststoffen sowie Vliesen aus Glasfaser oder Polyethylen und sogenannten Diaphragmen gebildet werden. An beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle laufen Redox-Reaktionen ab, wobei von den Elektrolyten an einer Elektrode Elektronen freigesetzt und an der anderen Elektrode Elektronen aufgenommen werden. Die metallischen und/oder nichtmetallischen Ionen der Elektrolyte bilden Redox-Paare und erzeugen folglich ein Redox-Potential. Als Redox-Paare kommen beispielsweise Eisen- Chrom, Polysulfid-Bromid oder Vanadium in Frage. Diese oder auch andere Redox-Paare können grundsätzlich in wässriger oder nicht wässriger Lösung vorliegen.
Die Elektroden einer Zelle, zwischen denen sich infolge der Redoxpotentiale eine Potentialdifferenz ausbildet, sind außerhalb der Zelle, z. B. über einen elektrischen Verbraucher, elektrisch miteinander verbunden. Während die Elektronen außerhalb der Zelle von einer Halbzelle zur anderen gelangen, treten Ionen der Elektrolyte durch die semipermeable Membran direkt von einer Halbzelle zur anderen Halbzelle über. Zum Wiederaufladen einer Redox-Flow-Batterie kann an die Elektroden der Halbzellen anstelle des elektrischen Verbrauchers, beispielsweise mittels eines Ladegeräts, eine Potentialdifferenz angelegt werden, durch welche die an den Elektroden der Halbzellen ablaufenden Redox-Reaktionen umgekehrt werden.
Zur Bildung der beschriebenen Zelle werden unter anderem Zellrahmen verwendet, die einen Zellinnenraum umschließen. Dabei umschließen die Zellrahmen den Zellinnenraum typischerweise nicht vollständig, sondern lediglich entlang einer umlaufenden Schmalseite. Mithin läuft der Zellrahmen umfangsseitig umlaufend um den Zellinnenraum um und trennt zwei gegenüberliegende großflächigere Seiten voneinander, die ihrerseits wiederum einer semipermeablen Membran oder einer Elektrode zugeordnet sind. Dabei ist die Dicke des Zellrahmens, der von dem Rand des Zellrahmens gebildet wird, typischerweise deutlich geringer als die Breite und die Höhe des Zellrahmens, welche die großflächigeren gegenüberliegenden Seiten definieren.
Jede Halbzelle der elektrochemischen Zelle umfasst einen derartigen Zellrahmen, die beispielsweise im Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt werden. Zwischen zwei Zellrahmen wird eine semipermeable Membran angeordnet, die Elektrolyte der Halbzellen in Bezug auf einen konvektiven Stoffaustausch voneinander trennt, eine Diffusion bestimmter Ionen von einer Halbzelle in die andere Halbzelle aber zulässt. Den Zellinnenräumen wird zudem jeweils eine Elektrode derart zugeordnet, dass diese mit den die Zellinnenräume durchströmenden Elektrolyten in Kontakt stehen. Die Elektroden können beispielsweise den Zellinnenraum eines jeden Zellrahmens auf der der semipermeablen Membran abgewandten Seite abschließen. Dabei kann nach dem Stand der Technik der Zellinnenraum im Wesentlichen frei bleiben und nur durch jeweils einen Elektrolyten gefüllt sein; alternativ kann auch die jeweilige Elektrode wenigstens teilweise in dem Zellinnenraum vorgesehen sein. Dann ist die Elektrode typischerweise so ausgebildet, dass der Elektrolyt teilweise durch die Elektrode hindurchströmen kann. Insbesondere kommen hier Elektroden mit einer hohen spezifischen Oberfläche in Frage, an der die entsprechenden elektrochemischen Reaktionen entsprechend schnell und/oder umfassend ablaufen können. Dies führt letztlich zu einer hohen volumenspezifischen Leistung der Zelle. Die Zellinnenräume sind aber nach dem Stand der Technik auch dann, wenn die Elektrode in den Zellinnenraum hineinragt, meist auf der der semipermeablen Membran abgewandten Seite durch die Elektrode verschlossen. Als nicht poröser Teil der Elektroden kommen auch sogenannte bipolare Platten in Frage, die beispielsweise mit einem Katalysator oder einem anderen Stoff beschichtet sein können.
Jeder Zellrahmen weist Öffnungen und Kanäle auf, durch welche der entsprechende Elektrolyt von einer Versorgungsleitung in den jeweiligen Zellinnenraum strömen und von dort wieder abgezogen sowie einer Entsorgungsleitung zugeführt werden kann. Die Elektrolyte der Halbzellen werden dabei über die Versorgungsleitung und die Entsorgungsleitung von einem Vorlagebehälter in einen Sammelbehälter umgepumpt. Dies erlaubt eine erneute Verwendung der Elektrolyte, die folglich weder verworfen noch ersetzt werden müssen.
Umfasst eine Redox-Flow-Batterie nur eine einzige Zelle, so befinden sich außerhalb der die Halbzellen bildenden Zellrahmen Versorgungsleitungen für jede Halbzelle und Entsorgungsleitungen für jede Halbzelle. Jeder Zellrahmen weist dabei wenigstens zwei Öffnungen auf, von denen wenigstens eine mit einer Versorgungsleitung verbunden ist, während die wenigstens eine andere Öffnung mit der Entsorgungsleitung verbunden ist. Innerhalb des Zellrahmens ist jede Öffnung mit einem Strömungskanal verbunden, der zum Zellinnenraum geöffnet ist. Dies erlaubt das Zuführen von Elektrolyt von der Versorgungsleitung zum Zellinnenraum über einen Zuführkanal und das Abführen des durch den Zellinnenraum geströmten Elektrolyts über einen Abführkanal. Um den Elektrolyt gleichmäßiger über die Breite des Zellinnenraums zu verteilen und den Elektrolyt gleichmäßiger über die Breite des Zellinnenraums abzuziehen, kann der jeweilige Zuführkanal und/oder Abführkanal zwischen der äußeren Öffnung und dem Zellinnenraum, also im Bereich des Rahmenmantels des Zellrahmens, einmal oder mehrmals verzweigt sein. Alternativ kann in dem Zellrahmen eine Reihe von separaten Zuführkanälen und/oder Abführkanälen zum Zuführen bzw. zum Abführen von Elektrolyt vorgesehen sein. In beiden Fällen tritt der Elektrolyt möglichst gleichmäßig verteilt über die Auslassöffnungen der Zuführkanäle einer Seite des Zellrahmens in den Zellinnenraum ein und wieder möglichst gleich verteilt über die Abführkanäle der anderen Seite des Zellrahmens aus dem Zellinnenraum aus. So wird versucht, eine möglichst gleichmäßige Strömung durch den Zellinnenraum zu erreichen. Die Zuführkanäle sind an ihrem anderen Ende über Einlassöffnungen mit der Versorgungsleitung verbunden. So kann der Elektrolyt von der Versorgungsleitung durch den wenigstens einen Zuführkanal des Zellrahmens jeder Halbzelle in den entsprechenden Zellinnenraum gelangen.
Bedarfsweise wird in einer Redox-Flow-Batterie eine Mehrzahl gleichartiger elektrochemischer Zellen zusammengefasst. Meist werden die Zellen dazu aufeinander gestapelt, weshalb man die Gesamtheit der Zellen auch als Zellstapel oder Zellstack bezeichnet. Die einzelnen Zellen werden meist parallel zueinander von den Elektrolyten durchströmt, während die Zellen meist elektrisch hintereinander geschaltet werden. Die Zellen sind also meist hydraulisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet. In diesem Fall ist der Ladungszustand der Elektrolyte in jeweils einer der Halbzellen des Zellstapels gleich. Zur Verteilung der Elektrolyte auf die entsprechenden Halbzellen des Zellstacks und zur gemeinsamen Abführung der Elektrolyte aus den jeweiligen Halbzellen sind Halbzellen untereinander mit Versorgungs- und Entsorgungsleitungen verbunden. Da jede Halbzelle bzw. jeder Zellinnenraum einer Zelle von einem anderen Elektrolyt durchströmt wird, müssen die beiden Elektrolyte während des Durchtritts durch den Zellstack voneinander getrennt werden. Deshalb sind längs des Zellstapels in der Regel zwei separate Versorgungsleitungen und zwei separate Entsorgungsleitungen vorgesehen. Jeder dieser Kanäle wird in der Regel teilweise von den Zellrahmen selbst gebildet, welche dazu vier Öffnungen aufweisen. Die Öffnungen erstrecken sich längs des Zellstacks und bilden hintereinander angeordnet und bedarfsweise über Dichtungsmaterialien voneinander getrennt die Versorgungs- und Entsorgungsleitungen. Häufig wird man bei derartigen Zellstacks eine Ausführungsform mit biegeflexiblen Elektrodenmaterialien wählen aber auch eine Ausführungsform mit biegeflexiblen Strukturen oder Mischformen der beiden sind denkbar.
Bei einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen hat sich gezeigt, dass es zur Steigerung der Leistungsdichte zweckmäßig ist, wenn die Elektroden wenigstens in einer der Halbzellen wenigstens teilweise in den Zellinnenraum eingreifen, porös sind und von dem entsprechenden Elektrolyten durchströmt werden.
Die anmeldungsgemäße elektrochemische Zelle weist im Zellinnenraum eine wenigstens teilweise poröse Elektrode zur Durchströmung des Elektrolyts von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem wenigstens einen Abführkanal auf. Da der poröse Abschnitt der Elektrode anders als ein ebenfalls möglicher nicht poröser Abschnitt der Elektrode von dem Elektrolyten durchströmt werden kann, wird der von dem porösen Abschnitt der Elektrode eingenommene Raum dem Zellinnenraum zugeordnet, was insbesondere aus funktionaler Sicht plausibel ist. Der poröse Abschnitt der Elektrode kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei sich eine einteilige Ausgestaltung der Einfachheit halber anbieten kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die poröse Elektrode anmeldungsgemäß aus einem leitfähigen porösen Polymer, einem leitfähigen polymerbasierten Verbundwerkstoff (beispielsweise einem Verbund aus einem größeren Anteil Polypropylen oder Polyethylen und einem geringeren Anteil Graphit und Ruß), einem vlies- oder filzartigen Stoff, wie Graphitvlies und/oder einem Metallschaum bestehen oder eines oder mehrere dieser Matierialien umfassen. Unter einer Metallschaumstruktur wird hierbei in Anlehnung an die allgemeine Schaumdefinition einen Verband von Zweiphasensystemen verstanden, der aus gasförmigen Bereichen gebildet ist, die durch feste Metall-Wände (fester Schaum) getrennt sind. Je nach Fertigungsverfahren können die Strukturen der porösen Metalle sehr unterschiedlich aussehen. Der Begriff Metallschaum wird auch im Stand der Technik synonym für poröse Metalle verwendet, die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Gemeinsames kennzeichnendes Merkmal ist die hohe Porosität der Strukturen von üblicherweise mehr als 90 % und ihre gezielte Erzeugung. Daher werden anmeldungsgemäß auch Metall-Meshs, vliesartige oder filzartige Strukturen und generell auf Fasern oder Geweben basierende offenporöse Strukturen (wie Gewebe und Gestricke) zu den Metallschäumen gezählt.
Der anmeldungsgemäße Metallschaum kann aus einem Metall (auch aus einer Legierung) bestehen, es kann sich aber auch um eine Metallstruktur handeln, deren Oberfläche (etwa um eine verbesserte chemische Stabilität gegenüber dem Fluid bzw. dem Elektrolyten zu gewährleisten) beschichtet ist, insbesondere die vollständige dem Fluid zugewandte Oberfläche des Metallschaums. Ebenso kann - sofern das vom Eierstellungsverfahren her realisierbar ist - eine mit Metall beschichtete (beispielsweise polymerbasierte) Basisstrukur eingesetzt werden, wie das beispielsweise mit metallisierten Textilien möglich ist.
Anmeldungsgemäß sind dabei Metallschäume mit zumindest teilweise offenporösen Strukturen erforderlich, um einen Transport der Elektrolyte zu gewährleisten. Die Poren eines offenporigen Bereichs sind dabei untereinander verbunden. Die Herstellung von Metallschäumen ist aus der Literatur bekannt und kann beispielsweise erfolgen durch:
- Schäumen von Schmelzen mit Hilfe von Treibmitteln,
- Schäumen von Schmelzen mittels Gasinjektion oder mittels gelöster Gase,
- Feinguß ausgehend von einem Polymermodell des späteren Metallschaums,
- Schmelzinfiltration in Platzhalterstrukturen,
- Sintern von Pulver- und Granulatschüttungen, wie es beispielsweise zur Herstellung offenporöser Strukturen für Filteranwendungen eingesetzt wird,
- Sintern oder Löten von Einzelfasern und -drähten aus Metall zu porösen Strukturen oder Weiterverarbeitung von Metalltextilien oder metallisierte Textilien zu porösen Strukturen,
- additive Fertigung (die insbesondere eine hohe Ressourceneffizienz und ein auf den Anwendungszweck optimierte Topologie ermöglicht),
- Schlickerreaktionsschaumsinter-Verfahren.
Durch die Porosität der Elektrode wird eine deutlich größere Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Elektrolyt bereitgestellt, was die in der entsprechenden Grenzfläche ablaufenden Prozesse und Reaktionen begünstigt. Die Prozesse und Reaktionen laufen insbesondere schneller und/oder umfassender ab.
In diesem Zusammenhang ist es besonders zweckmäßig, wenn die Elektrode unterschiedliche Abschnitte aufweist. Ein poröser Abschnitt der Elektrode ist in dem Zellinnenraum vorgesehen und elektrisch leitend mit einem nicht porösen Abschnitt der Elektrode verbunden. Durch den nicht porösen Abschnitt der Elektrode kann anders als durch den porösen Abschnitt der Elektrode kein Elektrolyt hindurchtreten. Dies kann dazu genutzt werden, den Zellinnenraum wenigstens teilweise zu verschließen. Das Verschließen des Zellinnenraums bietet sich dabei insbesondere an einer Seite des Zellrahmens an, die einer semipermeablen Membran gegenüberliegt und ihrerseits den Zellinnenraum an der entsprechenden Seite verschließen kann. Der Zellinnenraum ist dabei an den die Länge und Breite des Zellrahmens definierenden Seiten durch die Elektrode und die semipermeable Membran sowie an den die Höhe oder Dicke des Zellrahmens definierenden Schmalseiten des Zellrahmens von dem Zellrahmen selbst verschlossen. Dies schließt aber nicht aus, dass dem Zellinnenraum über den wenigstens einen Zuführkanal Elektrolyt zugeführt und/oder über den wenigstens einen Abführkanal Elektrolyt entzogen werden kann. Auf diese Weise kann auch sehr einfach und effizient ein Zellstack aus mehreren übereinandergestapelten elektrochemischen Zellen gebildet werden. Unabhängig davon kann der nicht poröse Abschnitt der Elektrode in Form einer Bipolarplatte ausgebildet sein. Die Verwendung von Bipolarplatten in Kombination mit porösen Elektroden ist bereits bei einer Reihe von bekannten elektrochemischen Zellen vorgesehen worden. Eine ähnliche Ausgestaltung erscheint der Einfachheit halber auch hier von Vorteil. Im Grundsatz ist die erfindungsgemäße formschlüssige und häufig auch biegeflexible Struktur der Zelle auch dann realisierbar, wenn die Elektrode nicht porös ist, beispielsweise auch dann, wenn nichtporöse Elektroden mit integrierter Fluidführung eingesetzt werden.
Infolge einer hohen zu durchströmenden Länge des porösen Bereichs einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle bzw. eines Zellstacks ergeben sich erhöhte Druckverluste. Entsprechend erhöhte Zellinnendrücke von teilweise mehr als 1,5 bar sind aber regelmäßig unerwünscht, weil dies leicht zu Undichtigkeiten sowie irreversiblen Beschädigungen der elektrochemischen Zelle bzw. des Zellstacks führen kann.
Der Druckverlust des Elektrolyten über den Zellinnenraum kann dadurch verringert werden, dass die Strömung des Elektrolyten durch den Zellinnenraum gleichmäßiger erfolgt. Um dies zu erreichen, kann in der Elektrode wenigstens ein bevorzugt rechteckiger Strömungskanal eingelassen sein. Dabei zeichnet sich der Strömungskanal dadurch aus, dass der freie Strömungsquerschnitt in dem Strömungskanal deutlich, insbesondere um ein Vielfaches größer ist als der mittlere Porendurchmesser des porösen Abschnitts der Elektrode. Über den Strömungskanal kann dann Elektrolyt in die Poren der Elektrode gelangen. Alternativ oder zusätzlich kann aus den Poren der Elektrode austretender Elektrolyt in dem Strömungskanal gesammelt werden. Vor diesem Eiintergrund bietet es sich auch besonders an, wenn der wenigstens eine Strömungskanal in dem porösen Abschnitt der Elektrode eingelassen ist. Alternativ oder zusätzlich kann es dementsprechend auch zweckmäßig sein, wenn der wenigstens eine Strömungskanal an eine Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung anschließt. Dann kann der zu verteilende Elektrolyt über den Strömungskanal in der Porosität der Elektrode verteilt werden und/oder es kann der zu sammelnde Elektrolyt über den Strömungskanal gesammelt werden.
Des Weiteren lässt sich eine gleichmäßige und vorhersehbare Strömung gewährleisten, wenn wenigstens ein an eine Einlassöffnung anschließender Strömungskanal der Elektrode und wenigstens ein an eine Auslassöffnung anschließender Strömungskanal der Elektrode über einen porösen Abschnitt der Elektrode zum Durchströmen von Elektrolyt voneinander beabstandet sind. Dann kann es nicht zu einer sogenannten Kurzschlussströmung kommen, sondern der Elektrolyt muss immer eine mindeste Wegstrecke durch die Poren des porösen Abschnitts der Elektrode strömen. Bei mehreren solcher Strömungskanäle bietet es sich aus diesem Grunde weiter an, wenn diese jeweils über einen porösen Abschnitt der Elektrode zum Durchströmen von Elektrolyt voneinander beabstandet sind.
Die Verteilung der Strömung des Elektrolyten auf den Zellinnenraum des Zellrahmens kann gleichmäßig erfolgen, wenn die an wenigstens eine Einlassöffnung anschließenden Strömungskanäle und die an wenigstens eine Auslassöffnung anschließenden Strömungskanäle in wenigstens einer Richtung jeweils abwechselnd zueinander vorgesehen sind. Dabei ist diese Richtung vorzugsweise parallel zu einer durch den Zellrahmen definierten Ebene ausgerichtet.
Anmeldungsgemäß können durch den Einsatz von biegeflexiblen und gleichzeitig mechanisch druckstabilen elektrochemischen Flussreaktoren, diese direkt in Stütz- und Formgebungsstrukturen von mobilen und stationären Elementen integriert werden, was zu einer höheren Bauraumeffizienz sowie, infolge der Mehrfachnutzung der Flussreaktoren, zu einer höheren Gesamtsystemeffizienz führen kann. Da hierfür nur die Konstruktion der elektrochemischen Flow-Zellen und vor allem das Elektrodenmaterial angepasst werden müssen, entfällt zudem die aufwendige Erforschung und Entwicklung neuer Zellchemien und es können auch bereits bekannte Zellchemien, insbesondere solche mit besonders hohen Energie- und/oder Leistungsdichten, eingesetzt werden.
Die mechanische Druckstabilität der Flussreaktoren wird durch einen durchgängigen Formschluss der Flow-Zellen, auch im Bereich der elektrochemisch aktiven Zellfläche, bei gleichzeitiger Biegeflexibilität durch den Einsatz von biegeflexiblen Materialien und/oder Strukturen erreicht. Die Zellen sind im Wesentlichen formschlüssig ausgebildet, wobei unter im Wesentlichen formschlüssig verstanden wird, dass für den Einbau der Zelle in eine bestimmte Struktur eine gewisse Lageflexibilität der Zellkomponenten erforderlich sein kann (aber nicht immer muss), im eingebauten Zustand jedoch ein vollständiger Formschluss der Batteriezellkomponenten realisiert ist. Unter Lageflexibilität ist dabei zu verstehen, dass im noch nicht eingebauten Zustand eine Membran, Bipolarplatte oder auch eine Elektrode (beispielsweise bei Verwendung eines Metall-Meshs) noch nicht in gespanntem Zustand vorliegen kann. Durch den Einbau wird die Spannung typischerweise erzeugt). Im Unterschied zur nicht eingebauten Zelle weist die eingebaute Zelle daher üblicherweise keine Lageflexibilität mehr auf, wird im Regelfall aber noch bis zu einem gewissen Grad biegeflexibel sein. Zur Fluidführung können somit insbesondere besonders formstabile poröse Elektroden, wie Metallschaum, insbesondere Meshs sowie vliesartige oder filzartige Strukturen genutzt werden. Häufig wird die Biegeflexiblität aber in eingebautem Zustand signifikant geringer sein als im nicht eingebauten Zustand, oftmals wird im Wesentlichen keine Biegeflexibilität mehr vorliegen. Erforderlich ist eine gewisse Biegeflexibilität lediglich dafür, dass mechanische Belastungen (wie sie beispielsweise beim Start einer Rakete oder eines Flugzeugs auftreten), die auf die Stütz oder Formgebungsstruktur einwirken, in die die Zelle eingebaut ist, toleriert werden können. " Im Wesentlichen keine Biegeflexiblität" bedeutet anmeldungsgemäß daher, dass die Biegeflexibilität beim Einbau insoweit verschwinden kann, dass nur noch der mechanischen Beanspruchung des mobilen oder stationären Elements (bzw. von deren Teilstrukturen) Rechnung getragen werden muss und diese mechanischen Beanspruchungen durch die Restbiegeflexibilität abgefangen werden können.
Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Stabilität können in der Zelle Stabilisierungsstrukturen angeordnet sind, die eine Kraftaufnahme in Richtung der auf die Zelle wirkenden Druckkräfte erlauben. Insbesondere sind hierbei Stabilisierungsstrukturen nach Art einer Wabe, bei der die einzelnen Wabenelemente perforiert sind um ein Durchströmen mit dem Fluid zu ermöglichen, zu nennen oder auch zwischen der semipermeablen Membran und der Bipolarplatte angeordnete säulenartigen Stabilisierungsstrukturen. Eine Struktur nach Art einer Wabe kann dabei die Wabe selbst aber auch eine Raute oder ein Quadrat sein oder - bei stärker gekrümmten und nicht ebenen Geometrien beispielsweise Teiloberflächen eines archimedischen oder platonischen Körpers. Für derartige Stabilisierungsstrukturen können in den Geometrien der verwendeten Elektroden gezielt Ausnehmungen vorgesehen sein, so dass diese Stabilisierungsstrukturen in die Elektrode bzw. Elektrodenschicht integriert werden. Im Extremfall kann bei dieser Ausführungsform auf ein Elektrodenmaterial ausgewichen werden, das (trotz Biegeflexibilität) keine mechanische Stabilisierung der Gesamtstruktur der elektrochemischen Zelle bewirkt, beispielsweise ein Weichvlies. Somit sind bei dieser Ausführungsform jegliche bekannten, insbesondere porösen Elektrodenmaterialien möglich.
Die somit biegeflexiblen und gleichzeitig mechanisch druckstabilen elektrochemischen Flussreaktoren können in Stütz- und Formgebungsstrukturen von mobilen und stationären Elementen integriert werden und dabei neben ihren Primäraufgaben, wie der Energiespeicherung, Energiewandlung, Grundstoffherstellung oder Filtration, auch weitere Aufgaben, wie der mechanischen Versteifung der Strukturen, der Unterstützung des Thermomanagements oder der Absorbierung von Strahlung, wahrnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel ist die Integration von biegeflexiblen und druckstabilen Redox- Flow-Batteriezellen in die Stützstruktur der Module einer Raumstation. Dabei können die elektrochemischen Flow-Zellen segmentweise oder umlaufend an der zylindrischen Struktur angeordnet werden.
Durch die rein katalytische Wirkung der Funktionskomponenten von Redox-Flow- Batterien, besitzen diese eine enorme Zyklenfestigkeit und Lebensdauer und sollten somit beispielsweise über die gesamte Betriebslebensdauer von damit ausgestatteten Raumstationsmodulen einsatzfähig sein. Kosten-, zeit- und ressourcenintensive Missionen zum Austausch von Batterien würden hierdurch wegfallen. Durch die Integration der Redox-Flow-Batteriezellen in die Stütz- und Formgebungsstruktur der Module lassen sich zum einen der Platzbedarf sowie Gewicht einsparen und zum anderen können die Redox-Flow-Zellen infolge der Druckstabilität die Stützstruktur mechanisch versteifen sowie durch die zirkulierenden flüssigen Elektrolyte das Thermomanagement unterstützen und unter Umständen sogar kosmische Strahlung absorbieren. Neben Redox-Flow-Batterien könnten - wie bereits erwähnt - sinnvollerweise auch Wasseraufbereitungs-reaktoren sowie Reaktoren zur elektrochemischen Sauerstoffgeneration in die Stützstruktur der Raumstationsmodule integriert werden.
Der Gegenstand der Anmeldung wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit nachfolgend noch näher anhand von Figuren erläutert:
Figur 1 zeigt einen elektrochemischen Flussreaktor nach dem Stand der Technik mit zwei Halbzellen, die jeweils eine Endelektrode (1 1, 12) und einen Flalbzellraum mit Graphitvlieselektrode (13, 14) enthalten. Jeder Flalbzellraum ist mit einem Fluid gefüllt, wobei das Fluid mittels je einer Pumpe (20) zirkuliert werden kann. Das Fluid umfasst einen Elektrolyten mit einer redoxaktiven Spezies; in Figur 1 zeigt daher einen Elektrolyttank mit einem Elektrolyt mit einer redoxaktiven Spezies A (22) bzw. einen Elektrolyttank mit einem Elektrolyt mit einer redoxaktiven Spezies B (23). Mittels des Elektrolyten wird ein Ladungsaustausch zwischen Anode und Kathode ermöglicht, wobei sowohl beim Ladevorgang (1) als auch beim Entladevorgang (2) Ionen durch eine Membran (5) diffundieren können.
Figur 2 zeigt einen elektrochemischen Flussreaktor nach dem Stand der Technik, der sich aus mehreren elektrochemischen Flow-Zellen zusammensetzt, die zu einem Zellstack verbunden sind. Die einzelnen Flowzellen sind über Bipolarplatten (10) miteinander verbunden; zwischen den Halbzellen sind jeweils Membranen (15) angeordnet.
Figur 3 zeigt in der unteren Bildhälfte einen aus anmeldungsgemäßen elektrochemischen Zellen gebildeten bipolaren Sandwichaufbau eines elektrochemischen Flussreaktors (100) mit porösen Elektroden (11, 12) (in dieser Ausführungsform aus einem biegeflexiblen Metallschaum), Bipolarplatten (10) und Membranen (15). Die Pfeilspitzen deuten auf den Einbau dieser Batterie in die äußere H ü Ile (51), die hier gleichzeitig u.a. eine zylinderförmige Stützstruktur und Formgebungsstruktur bildet, eines Raumstation- Moduls (50).
Figur 4 zeigt links und rechts oben Detailansichten einer zylinderförmigen Formgebungsstruktur (52). H ierbei kann es sich beispielsweise um die Formgebungsstruktur eines Raumstation-Moduls (50) handeln. Links unten ist in Figur 4 die Strukturintegration des elektrochemischen Flussreaktors (100) in die Formgebungsstruktur (52) gezeigt. Zusätzlich sind hier Verstrebungselemente (60) zur mechanischen Stabilisierung zu erkennen. Rechts unten ist in der Detailansicht zu erkennen, dass der elektrochemische Flussreaktor (100) zwischen innerer Hülle (61 b) und äußerer Hülle (61a) formschlüssig angeordnet ist.
Figur 5 zeigt links eine weitere Ausführungsform einer zylinderförmigen Formgebungsstruktur (52), bei der es sich um die Formgebungsstruktur eines Raumstation-Moduls (50) handeln kann. Hier ist zusätzlich zum elektrochemischen Flussreaktor (100) ein Energiespeichertank (70) in die Hülle des Raumflugkörpers integriert.
Figur 6 zeigt eine Elektrode (20) mit biegeflexibler Struktur vor und nach dem Einbau in ein Strukturelement eines mobilen bzw. stationären Objekts. Die Biegeflexibilität (vor dem Einbau) wird hier durch V-förmige Materialaussparungen (30) realisiert. Nach dem Einbau (unten) sind die Materialaussparungen nur noch schlitzförmig; die Elektrode (20) hat die Form eines Zylindersegments bzw. wurde während des Einbaus an die Struktur des hier zyliderförmigen mobilen bzw. stationären Objekts angepasst. Figur 7 zeigt oben durchströmbare elektrochemische Fluss-Zellen mit zusätzlichen Stabilisierungsstrukturen. Die oberen Ausführungsformen zeigen Fluss-Zellen mit Stabilisierungsstrukturen nach Art eine Wabe (40) - links mit rautenförmigen Stabilisierungsstrukturen (41), rechts mit wabenförmigen Stabilisierungsstrukturen (42); die untere Ausführungsform zeigt eine Fluss-Zelle mit säulenartigen Stabilisierungsstrukturen (45), bei der die säulenartigen Stabilisierungsstrukturen (46) eine Kraftaufnahme in Richtung der auf die Zelle wirkenden Druckkräfte erlauben. Die Zellen weisen jeweils eine Mehrzahl Einströmöffnungen und Ausströmöffnungen auf (beide mit 25 bezeichnet). Zusätzlich finden sich bei den Stabilisierungsstrukturen nach Art einer Wabe, eine Vielzahl von Perforationen (43) in den Wabenelementen, um ein Durchströmen mit dem Fluid zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrochemische Zelle, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie, mit wenigstens einem Zellrahmen und wenigstens einer Elektrode, wobei der Zellrahmen einen Zellinnenraum umfangsseitig umschließt, wobei der Zellrahmen wenigstens einen Zuführkanal zum Zuführen eines Fluids in den Zellinnenraum und wenigstens einen Abführkanal zum Abführen des Fluids aus dem Zellinnenraum aufweist, sowie gegebenenfalls mindestens einer semipermeablen Membran und gegebenenfalls mindestens einer Bipolarplatte, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellrahmen, die Elektrode und die gegebenenfalls vorhandene semipermeable Membran und die gegebenenfalls vorhandene Bipolarplatte im Wesentlichen formschlüssig miteinander verbunden sind, und insbesondere im im Bereich der aktiven Zellfläche im Wesentlichen formschlüssig miteinander verbunden sind.
2. Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle in einer Stütz- und/oder Formgebungsstruktur entweder eines stationären Elementes der Raumfahrt oder eines mobilen Elementes angeordnet ist.
3. Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle in einer äußeren Hülle des stationären oder mobilen Objektes angeordnet ist.
4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode im Zellinnenraum wenigstens teilweise eine Porosität zur Durchströmung des Elektrolyt von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem wenigstens einen Abführkanal aufweist.
5. Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode zumindest teilweise als offenporöse Metallschaum-Struktur, insbesondere als Metallmesh, insbesondere als Nickelschaum oder Nickelmesh ausgebildet ist.
6. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode aus einem porösen, formstabilen Kohlenstoff-Material gebildet ist, insbesondere aus einem Kohlenstoff-basierten Hartvlies, Hartfilz, aus Graphitfasern und/oder aus Carbon Nano Tubes, insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen polymerbasierten Verbund.
7. Zelle nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Material der Elektrode zumindest teilweise aus faserförmigen Strukturelementen gebildet ist.
8. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Elektrode Strömungskanäle ausgebildet sind.
9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle im eingebauten und/oder nichteingebauten Zustand biegeflexibel und/oder lageflexibel ausgebildet ist.
10. Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Bestandteile der Zelle und insbesondere die Elektrode aus einem biegeflexiblen und/oder lageflexiblen Material gebildet ist.
11 . Zelle nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Bestandteile der Zelle und insbesondere die Elektrode eine biegeflexible und/oder lageflexible Geometrie besitzt, wofür eine oder mehrere Materialaussparungen in zumindest einer der vom Zellrahmen eingeschlossenen Oberflächen vorgesehen sind.
12. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zellinnenraum neben der Elektrode mechanische Stabilisierungsstrukturen angeordnet sind, insbesondere Stabilisierungsstrukturen nach Art einer Wabe, bei der die einzelnen Wabenelemente perforiert sind um ein Durchströmen mit dem Fluid zu ermöglichen oder im Wesentlichen in Richtung der wirkenden Druckkräfte zwischen der semipermeablen Membran und der Bipolarplatte angeordneten säulenartigen Stabilisierungsstrukturen.
13. Stack mit einem Zellverbund aus zwei oder mehreren elektrochemischen Zellen nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Strukturelement eines stationären Elementes der Raumfahrt oder eines mobilen Elementes, wobei das Strukturelement eine Stütz- und/oder Formgebungsfunktion für das stationäre oder mobile Element erfüllt dadurch gekennzeichnet, dass ein Stack oder einer elektrochemischen Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche formschlüssig mit dem Strukturelement verbunden sind.
15. Strukturelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Element ein Fahrzeug ist.
16. Strukturelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das stationäre Element eine Raumstation ist.
17. Verwendung eines Stacks oder einer elektrochemischen Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Luft-, Schiff- und Raumfahrt.
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