DE102014104601A1 - Electrochemical cell, in particular for a redox flow battery, and method of production - Google Patents
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Abstract
Eine elektrochemische Zelle insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, weist eine Zellwand aus Kunststoff (14) auf, die einen Hohlraum umschließt, der durch eine ionenleitfähige Membran (11) in zwei Halbzellen (16, 18) getrennt ist, die jeweils ein erstes und ein zweites Ende (12, 13) aufweisen, an denen Fluidanschlüsse (40) zur Durchströmung mit einem Elektrolyten vorgesehen sind, wobei die beiden Halbzellen (16, 18) jeweils flächige Elektroden (20, 22) aufweisen, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende parallel zur Membran (11) erstrecken, wobei die Elektroden aus porösem Graphit, insbesondere aus einer oder mehreren Lagen (21) von Graphitpapier, bestehen, wobei die Fluidanschlüsse (40) am ersten und zweiten Ende (12, 13) jeder Halbzelle (16, 18) zur unmittelbaren Durchströmung mit Elektrolyten entlang der Erstreckungsrichtung der jeweiligen Elektrode (20, 22) ausgebildet sind.An electrochemical cell, in particular for a redox flow battery, has a plastic cell wall (14) which encloses a cavity which is separated by an ion-conducting membrane (11) into two half-cells (16, 18), each one a first and a second end (12, 13), at which fluid connections (40) are provided for the passage of an electrolyte, wherein the two half-cells (16, 18) each have planar electrodes (20, 22) extending between the first and extend the second end parallel to the membrane (11), wherein the electrodes of porous graphite, in particular one or more layers (21) of graphite paper, wherein the fluid ports (40) at the first and second ends (12, 13) of each half-cell (16, 18) are formed for direct flow with electrolyte along the extension direction of the respective electrode (20, 22).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Zellwand aus Kunststoff, die einen Hohlraum umschließt, der durch eine ionenleitfähige Membran in zwei Halbzellen getrennt ist, die jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, an denen Fluidanschlüsse zur Durchströmung mit einem Elektrolyten vorgesehen sind, wobei die beiden Halbzellen jeweils flächige Elektroden aufweisen, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende parallel zur Membran erstrecken, und wobei die Elektroden aus porösem Graphit bestehen.The invention relates to an electrochemical cell, in particular for a redox flow battery, with a cell wall made of plastic, which encloses a cavity, which is separated by an ion-conductive membrane into two half-cells, each having a first and a second end, where Fluid connections are provided to flow through with an electrolyte, wherein the two half-cells each have planar electrodes which extend parallel to the membrane between the first and the second end, and wherein the electrodes are made of porous graphite.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbund aus derartigen elektrochemischen Zellen und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Zelle.The invention further relates to a composite of such electrochemical cells and a method for producing such a cell.
Ein solcher Verbund von elektrochemischen Zellen für eine Redox-Flow-Batterie ist aus der
Zur seriellen Verschaltung der einzelnen Zellen miteinander sind hierbei Bipolarplatten vorgesehen. In den Bipolarplatten sind durch teilweises Verschließen einzelner, miteinander zusammenhängender Kanäle miteinander zusammenhängende Flussfelder gebildet, über die der jeweilige positiv geladene Elektrolyt (Anolyt) oder der negativ geladene Elektrolyt (Katholyt) in die jeweilige Halbzelle zu- bzw. abgeführt wird.For serial connection of the individual cells with each other bipolar plates are provided here. In the bipolar plates coherent flow fields are formed by partially closing individual, interconnected channels, via which the respective positively charged electrolyte (anolyte) or the negatively charged electrolyte (catholyte) in the respective half-cell is added or removed.
Eine derartige Anordnung ist sehr aufwändig und erhöht den Gesamtwiderstand des Zellverbundes.Such an arrangement is very complex and increases the total resistance of the cell network.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle und einen Verbund aus elektrochemischen Zellen zu schaffen, womit ein einfacher und kostengünstiger Aufbau und eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit gegeben sind.Against this background, the invention has for its object to provide an electrochemical cell and a composite of electrochemical cells, which are given a simple and inexpensive construction and the highest possible performance.
Ferner soll ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Zelle angegeben werden.Furthermore, a method for producing such a cell is to be specified.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Redox-Flow-Batterie, gelöst, mit einer Zellwand aus Kunststoff, die einen Hohlraum umschließt, der durch eine ionenleitfähige Membran in zwei Halbzellen getrennt ist, die jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, an denen Fluidanschlüsse zur Durchströmung mit einem Elektrolyten vorgesehen sind, wobei die beiden Halbzellen jeweils flächige Elektroden aufweisen, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende parallel zur Membran erstrecken, wobei die Elektroden aus porösem Graphit, insbesondere aus einer oder mehreren Lagen von Graphitpapier, bestehen, und wobei die Fluidanschlüsse am ersten und zweiten Ende jeder Halbzelle zur unmittelbaren Durchströmung mit Elektrolyten entlang der Erstreckungsrichtung der jeweiligen Elektrode ausgebildet sind.This object is achieved by an electrochemical cell, in particular for a redox flow battery, with a cell wall made of plastic, which encloses a cavity which is separated by an ion-conducting membrane into two half-cells, each having a first and a second end in which fluid connections are provided for the passage through an electrolyte, wherein the two half-cells each have planar electrodes which extend parallel to the membrane between the first and the second end, wherein the electrodes are made of porous graphite, in particular one or more layers of graphite paper , and wherein the fluid ports are formed at the first and second ends of each half-cell for direct flow of electrolyte along the extending direction of the respective electrode.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The object of the invention is completely solved in this way.
Es hat sich gezeigt, dass eine unmittelbare Durchströmung der Elektroden aus porösem Graphit ohne weiteres möglich ist. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Fluss-Felder (Flow Fields) verzichtet werden, was den Aufbau vereinfacht und den Gesamtwiderstand der Zelle verringert.It has been shown that an immediate flow through the electrodes made of porous graphite is readily possible. In this way, additional flow fields can be dispensed with, which simplifies the structure and reduces the total resistance of the cell.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung stehen die Elektroden jeweils mit Stromsammlerplatten in Kontakt.In a further embodiment of the invention, the electrodes are each in contact with current collector plates.
Hierbei können die Stromsammlerplatten aus einem gegenüber dem Elektrolyten unbeständigen Metall, insbesondere aus Kupfer, bestehen und jeweils durch eine säurebeständige Schutzschicht gegenüber dem Elektrolyten geschützt sein. Alternativ können die Stromsammlerplatten auch aus einem Material bestehen, das gegenüber dem Elektrolyten beständig ist, wie etwa Graphit oder Gold. Oder die Stromsammlerplatten sind etwa mit einer Goldschicht beschichtet.In this case, the current collector plates may consist of a metal which is not resistant to the electrolyte, in particular of copper, and may be protected in each case by an acid-resistant protective layer against the electrolyte. Alternatively, the current collector plates may also be made of a material that is resistant to the electrolyte, such as graphite or gold. Or the current collector plates are coated approximately with a gold layer.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schutzschicht aus Graphit oder einem leitfähigen Kunststoff und ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet.According to a further embodiment of the invention, the protective layer consists of graphite or a conductive plastic and is preferably formed plate-shaped.
Auf diese Weise kann eine aus einem unbeständigen Metall, wie etwa Kupfer, bestehende Stromsammlerplatte vollständig flächig gegenüber dem Elektrolyten geschützt werden.In this way, a current collector plate made of a non-resistant metal, such as copper, can be completely protected against the electrolyte.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Lagen der Zelle, bestehend zumindest aus der Membran, der ersten und zweiten Elektrode und ggf. Stromsammlerplatten und plattenförmigen Schutzschichten, zumindest randseitig dicht mit dem Kunststoff der Zellwand verbunden.According to a further embodiment of the invention, the individual layers of the cell, consisting at least of the membrane, the first and second electrode and optionally current collector plates and plate-shaped protective layers, at least peripherally sealed to the plastic of the cell wall.
Auf diese Weise werden ein kompakter Zellaufbau und ein intensiver Kontakt zwischen den jeweiligen Elektrolyten und den Elektroden gewährleistet.In this way, a compact cell structure and an intensive contact between the respective electrolytes and the electrodes are ensured.
Vorzugsweise sind hierbei die einzelnen Lagen der Zelle dicht miteinander verpresst.Preferably, in this case the individual layers of the cell are pressed together tightly.
Auf diese Weise ergibt sich eine besonders intensive Wechselwirkung zwischen dem Elektrolyten, den Elektroden und der Membran.In this way, there is a particularly intense interaction between the electrolyte, the electrodes and the membrane.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Lagen der Zelle zumindest randseitig miteinander durch ein Kunststofflaminat verbunden oder durch einen Kunststoffspritzguss miteinander verbunden. According to a further embodiment of the invention, the individual layers of the cell are at least peripherally connected to each other by a plastic laminate or joined together by a plastic injection molding.
Auf diese Weise ist eine einfache Herstellung ermöglicht.In this way, a simple production is possible.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steht zumindest eine Elektrode mit einer Bipolarplatte in Kontakt, die zur seriellen Verschaltung der betreffenden Halbzelle mit einer Halbzelle einer benachbarten Zelle ausgebildet ist.According to a further embodiment of the invention, at least one electrode is in contact with a bipolar plate which is designed for the serial connection of the relevant half cell to a half cell of an adjacent cell.
Dies ist eine erste Möglichkeit zur seriellen Verschaltung von miteinander benachbarten Zellen.This is a first possibility for serial interconnection of adjacent cells.
Hierbei besteht die Bipolarplatte vorzugsweise aus Graphit oder aus Kupfer, das jeweils elektrodenseitig mit einer säurebeständigen Schutzschicht versehen ist.In this case, the bipolar plate is preferably made of graphite or copper, which is each provided on the electrode side with an acid-resistant protective layer.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung münden die Fluidanschlüsse an den ersten und zweiten Enden zur Verteilung von Elektrolyt über eine Mehrzahl von Löchern, vorzugsweise in Form einer Lochreihe oder eines Lochgitters, in die Halbzellen ein.According to a further embodiment of the invention, the fluid connections at the first and second ends for the distribution of electrolyte via a plurality of holes, preferably in the form of a row of holes or a perforated grid, open into the half-cells.
Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten zur Durchströmung der Halbzellen gewährleistet.In this way, a uniform distribution of the electrolyte is ensured for the flow through the half-cells.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Fluidanschlüsse an den Stromsammlerplatten, an den randseitigen Zellwänden oder an Bipolarplatten ausgebildet.In accordance with a further embodiment of the invention, the fluid connections are formed on the current collector plates, on the peripheral cell walls or on bipolar plates.
Je nach Aufbau und Anordnung der einzelnen Bestandteile der Zelle kann somit eine vorteilhafte Elektrolytzu- und -abfuhr gewährleistet werden. Es kann insbesondere auch eine randseitige Zu- oder Abfuhr zu bzw. von den Elektroden erfolgen, oder eine Zufuhr senkrecht dazu, d.h. über die Hauptflächen, erfolgen.Depending on the structure and arrangement of the individual components of the cell thus an advantageous electrolyte supply and removal can be ensured. In particular, edge-side supply or removal to or from the electrodes can also take place, or a supply perpendicular thereto, i. over the main surfaces.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden gegenüber den Elektrolyten elektrochemisch aktiviert, vorzugsweise hydrophylisiert.According to a further embodiment of the invention, the electrodes are electrochemically activated with respect to the electrolyte, preferably hydrophilicized.
Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Zelle verbessert. Dies kann beispielsweise nach einem Verfahren gemäß der
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jede Halbzelle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende in eine Mehrzahl von Sektionen unterteilt und jede Sektion mit Fluidanschlüssen zur Zu- und Abführung von Elektrolyt versehen.According to a further embodiment of the invention, each half-cell is divided between the first and the second end into a plurality of sections, and each section is provided with fluid connections for the supply and removal of electrolyte.
Sofern die Länge der von Elektrolyt zu durchströmenden Zelle zu lang wird und der hydraulische Widerstand somit zu groß wird, kann auf diese Weise Abhilfe geschaffen werden, um eine ausreichende, intensive Durchströmung der Zelle über die gesamte Länge mit Elektrolyt zu gewährleisten.If the length of the cell to be flowed through by the electrolyte becomes too long and the hydraulic resistance thus becomes too great, a remedy can be provided in this way in order to ensure a sufficient, intensive flow of the cell over the entire length with electrolyte.
Ein Verbund aus einer Mehrzahl von seriell miteinander verschalteten Zellen der vorstehend beschriebenen Art kann entweder über Bipolarplatten zwischen benachbarten Halbzellen oder durch externe Verschaltungen außerhalb der Zellen im Falle der Verwendung von Stromsammlerplatten erfolgen. A composite of a plurality of serially interconnected cells of the type described above can be made either via bipolar plates between adjacent half cells or by external connections outside the cells in the case of use of current collector plates.
Alternativ können zur seriellen Verschaltung zwischen benachbarten Halbzellen Verteilerplatten angeordnet sein, an denen Fluidanschlüsse zur Elektrolytversorgung vorgesehen sind, wobei an den Verteilerplatten jeweils den beiden Halbzellen zugeordnete Stromsammlerplatten vorgesehen sind, die innerhalb der Verteilerplatten elektrisch miteinander verbunden sind.Alternatively, for serial connection between adjacent half-cells distributor plates may be arranged, at which fluid connections are provided for supplying electrolyte, wherein the collector plates in each case the two half-cells associated power collector plates are provided, which are electrically connected to each other within the distributor plates.
Auf diese Weise kann die Fluidversorgung über die Verteilerplatten gleichzeitig auch zur elektrischen Verschaltung benachbarter Halbzellen genutzt werden.In this way, the fluid supply via the distributor plates can also be used simultaneously for the electrical connection of adjacent half cells.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer Zelle bereitgestellt, bei dem eine ionenleitfähige Membran und zwei flächige, poröse Elektroden aus Graphit, insbesondere aus mindestens einer Lage von Graphitpapier, bereitgestellt werden, wobei jeweils eine der Elektroden auf einer Seite der Membran angeordnet wird und die Membran mit den Elektroden zumindest randseitig zu einer Membran-Elektrodeneinheit laminiert wird.Furthermore, according to the invention, a method is provided for producing a cell, in which an ion-conductive membrane and two flat, porous electrodes of graphite, in particular of at least one layer of graphite paper, are provided, wherein one of the electrodes is disposed on one side of the membrane and the Membrane is laminated with the electrodes at least edge to a membrane electrode assembly.
Anschließend können auf die Membran-Elektrodeneinheit randseitig Dichtungen appliziert werden, auf die weitere Lagen, insbesondere Stromsammlerplatten, Schutzplatten oder Bipolarplatten, appliziert werden.Subsequently, seals can be applied to the membrane electrode unit on the edge, to which further layers, in particular current collector plates, protective plates or bipolar plates, are applied.
Gemäß einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine ionenleitfähige Membran und flächige, poröse Elektroden aus Graphit, insbesondere aus mindestens einer Lage von Graphitpapier, und ggf. Stromsammlerplatten und plattenförmige Schutzschichten in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit Kunststoff verspritzt, derart dass die Lagen zumindest randseitig miteinander verbunden und abgedichtet sind und außen von einer Kunststoffwand umschlossen werden.According to an alternative embodiment of the method according to the invention, an ion-conductive membrane and planar, porous electrodes made of graphite, in particular from at least one layer of graphite paper, and possibly current collector plates and plate-shaped protective layers are placed in an injection mold and sprayed with plastic, such that the layers at least edge side with each other connected and sealed and are enclosed on the outside by a plastic wall.
Hierbei können die einzelnen Lagen der Zelle fest miteinander verpresst werden. Here, the individual layers of the cell can be firmly pressed together.
Anschließend können die Zellen mit Fluidleitungen versehen werden, derart, dass jeweils eine Halbzelle von einem Anolyten und eine Halbzelle von einem Katholyten durchströmbar ist.Subsequently, the cells can be provided with fluid lines, such that in each case a half cell of an anolyte and a half cell of a catholyte can be flowed through.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. Show it:
Eine elektrochemische Zelle, die für eine Redox-Flow-Batterie geeignet ist, ist in
Redox-Flow-Batterien basieren auf dem Prinzip, dass zwei Elektrolyte durch die Halbzellen einer elektrochemischen Zelle strömen und dabei auf der Oberfläche der Elektroden ihre Oxidationsstufe ändern. Die bei den Halbzellreaktionen abgegebenen bzw. aufgenommenen Elektronen verrichten über einen externen Stromkreis Arbeit. Geschlossen wird der Stromkreis durch die ionenleitfähige Membran, welche für den Ladungsausgleich zwischen den beiden Halbzellen sorgt. Die Elektrolytlösung für jede der beiden Halbzellen wird in Tanks gelagert und bei Bedarf einer zentralen Reaktionseinheit im Lade- oder Entladeprozess mittels Pumpen zugeführt. Die Tankgröße bestimmt den Energieinhalt der Batterie, die Lade-/Entladeeinheit die Leistung der Batterie. Beim Lade- und Entladeprozess wird die Wertigkeit der Ionen des jeweiligen Salzes geändert. Bevorzugt werden in letzter Zeit Vanadium-Redox-Flow-Batterien entwickelt. Das in einer solchen Vanadium-Redox-Flow-Batterie genutzte Redox-Paar ist V/V, das heißt für die Elektrolytlösung wird dasselbe Element sowohl in der kathodischen Halbzelle als auch in der anodischen Halbzelle verwendet. Die Elektrolytlösungen bestehen im Wesentlichen aus verdünnter Schwefelsäure mit gelösten Vanadiumsalzen in verschiedenen Oxidationsstufen.Redox flow batteries are based on the principle that two electrolytes flow through the half cells of an electrochemical cell, changing their oxidation state on the surface of the electrodes. The emitted or absorbed in the half-cell reactions electrons perform work via an external circuit. The circuit is closed by the ion-conductive membrane, which ensures the charge balance between the two half-cells. The electrolyte solution for each of the two half-cells is stored in tanks and, if necessary, supplied to a central reaction unit in the charging or discharging process by means of pumps. The tank size determines the energy content of the battery, the charge / discharge unit determines the performance of the battery. During the charging and discharging process, the valence of the ions of the respective salt is changed. Vanadium redox flow batteries are currently being developed. The redox couple used in such a vanadium redox flow battery is V / V, that is, for the electrolytic solution, the same element is used in both the cathodic half-cell and the anodic half-cell. The electrolyte solutions consist essentially of dilute sulfuric acid with dissolved vanadium salts in different oxidation states.
Die in
Die Zelle
Unmittelbar angrenzend an jede Elektrode
Auf der gegenüberliegenden Seite einer jeden Verteilerplatte
In jeder Verteilerplatte
Anhand der
In
In der Mitte des Gehäuses
In
Im vorliegenden Fall ist eine mittige Bipolarplatte
Der Stromfluss läuft also über die eine Kontaktplatte
In
In
Zusätzlich sind in
Um eine Redox-Flow-Batterie zu vervollständigen, wären zusätzlich noch die entsprechenden Behälter zur Aufnahme des Katholyten und des Anolyten und geeignete Pumpeinrichtungen zu ergänzen, sowie ein externer Stromkreis, über den die Verbindung zwischen dem Pluspol
In
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