DE102018200818B4

DE102018200818B4 - Monopolarplattenbauteil für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien, Verfahren zur Herstellung eines Monopolarplattenbauteils und Redox-Flow-Batterie mit einem solchen Monopolarplattenbauteil

Info

Publication number: DE102018200818B4
Application number: DE102018200818.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Greese; Tim Rieth
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2024-08-29
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: DE102018200818A1

Abstract

Monopolarplattenbauteil (10) für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien, mit
einer Monopolarplatte (18),
einer Kontaktstruktur (16) aus einem elektrisch leitenden Material, das härter ist als die Monopolarplatte (18), und
einem Stromabnehmer (12) aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktstruktur (16) in die Monopolarplatte (18) eingepresst ist,
dass der Stromabnehmer mit der eingepressten Kontaktstruktur (16) verlötet ist,
dass die Monopolarplatte (18) aus einem Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff ist und
dass die Kontaktstruktur (16) die Monopolarplatte (18) nicht vollständig durchsetzt und zum Teil aus der Monopolarplatte (18) hervorragt.

Description

Die Erfindung betrifft Monopolarplattenbauteil für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Monopolarplattenbauteils nach Anspruch 10 und eine Redox-Flow-Batterie mit einem solchen Monopolarplattenbauteileine gemäß Anspruch 15.
Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Redox-Flow-Batterie ist aus der DE 10 2012 017 306 A1 bekannt und wird nachfolgend anhand von 7 beschrieben. Bei einer Redox-Flow-Batterie ist die Energie in den Elektrolyten in Form von Metallen, Salzen oder anderen chemischen Verbindungen gespeichert, wobei diese Verbindungen in flüssiger, dispergierter oder gelöster Form vorliegen. Die Elektrolyte werden in externen Tanks 2 gelagert. Zum Laden oder Entladen werden die Elektrolyte durch einen elektrochemischen Reaktor 3 gepumpt. Der elektrochemische Reaktor 3 ist schicht- oder plattenförmig aufgebaut mit einer Membran 4 in der Mitte, die von zwei Elektroden 5 eingeschlossen ist. Die Elektroden 5 werden von zwei Monopolarplatten 6, an deren Außenseite jeweils ein Stromabnehmer 7 vorgesehen ist, abgedeckt. In dem Paket bestehend aus den Monopolarplatten 6, den Elektroden 5 und der Membran 4 sind Strömungskanäle für den Elektrolyten ausgebildet. In dem elektrochemischen Reaktor 3 wird durch Anlegen einer Spannung über einen Stromanschluss 8 an die jeweiligen Stromabnehmer 7 und damit an die jeweiligen Elektroden 5 durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen beim Laden elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen wieder in elektrische Energie zurück umgewandelt. Zur Leistungserhöhung der Redox-Flow-Batterie werden mehrere solche Einzelzellen zu sogenannten Stacks oder Zellstapeln zusammengefasst. Zwischen Monopolarplatte 6 und Elektrode 5 werden dabei weitere Zellen eingefügt, die jeweils die Schichtfolge Elektrode, Membran, Elektrode, Bipolarplatte, Elektrode, Membran und Elektrode aufweisen.
Die Stromabnehmer 7 in Form von Kupferstreifen werden auf die Rückseite der Monopolarplatte 6 aufgelötet oder lediglich aufgepresst. Aufgrund der Nachgiebigkeit der Monopolarplatten 6 führt dies zu erheblichen Kontaktwiderständen, die darauf zurückzuführen sind, dass der Kupferstreifen lediglich punktuell mit den Monopolarplatten verbunden ist. Wenn der Stromabnehmer 7 nicht mit der Monopolarplatte verlötet ist, liegen die streifenförmigen Stromabnehmer 7 lediglich auf den Monopolarplatten 6 auf und werden lediglich durch die Elastizität der Elektroden 5 aufeinandergedrückt. Der Kontaktwiderstand ist hierbei proportional der Anpresskraft zwischen Monopolarplatte 6 und Stromabnehmer 7.
Aus der AT515926A4 ist ein Endrahmen für eine Durchflussbatterie bekannt, welcher ein elastisches Kontaktierungselement aufweist, das aus einem elektrisch leitenden ersten Element mit geringerer Festigkeit und einem zweiten Element mit höherer Festigkeit gebildet wird, welches das elastische Kontaktierungselement vor mechanischen Belastungen schützt. Aus der DE10216306A1 ist eine Kontaktplatte bzw. Bipolarplatte für elektrochemische Zellen aus einem Graphit-Thermoplast-Werkstoff bekannt. Aus der DE10235598A1 sind elektrisch leitfähige Bauteile von Brennstoffzellen mit einer korrosionsbeständigen Oberfläche, vorzugsweise mit Graphitfasern, bekannt. Ähnliches ist aus der DE10253958A1 bekannt.
Es ist daher ausgehend von der AT515926A4 Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Monopolarplattenbauteil mit Monopolarplatte und Stromabnehmer anzugeben, das im Vergleich zum Stand der Technik einen geringeren Kontaktwiderstand zwischen Monopolarplatte und Stromabnehmer zeigt. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Monopolarplattenbauteils und einen Redox-Flow-Batteriestack mit einem solchen Monopolarplattenbauteil anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 bzw. 15. 46.
Zunächst wird eine elektrisch leitende Kontaktstruktur, z. B. ein Kupfergitter, in die Monopolarplatte eingepresst, sodass nur noch Teile der Kontaktstruktur aus dem Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff der Monopolarplatte heraus ragen. Anschließend werden Stromabnehmer und Monopolarplatte mit einer Lötpastenschicht dazwischen aufeinander gedrückt und mittels Weichlötzinn miteinander verlötet. Als alternative Ausgestaltung kann bereits Kontaktstruktur mit Lötzinn beschichtet sein, wenn sie in die Bipolarplatte eingepresst wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist die Kontaktstruktur eine Gitterstruktur. Die Dimensionierungen nach Anspruch 3 und 4 haben sich als vorteilhaft erwiesen.
Alternativ kann die Kontaktstruktur auch aus Drahtkorn, Metallpulver oder Metallwolle gebildet sein - Anspruch 5.
Vorzugsweise besteht die Kontaktstruktur aus Kupfer, Eisen, Stahl, Blei, Zink, Nickel, Wolfram, Titan oder auch aus Legierungen dieser Metalle - Anspruch 6.
Das in Anspruch 7 genannte Verhältnis zwischen Polymer und Graphit hat sich als vorteilhaft erwiesen.
Anspruch 8 und 9 beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Monopolarplatte.
Die Verpressung zwischen Kontaktstruktur und Monopolarplatte erfolgt mit Druck und gegebenenfalls zusätzlich mit Wärme, wobei darauf geachtet werden muss, dass das Kunststoffmaterial der Monopolarplatte nicht zerstört wird.
Die Verpressung zwischen Kontaktstruktur und Monopolarplatte erfolgt mittels einer Plattenpresse, d. h. einer Flächenpressung - Anspruch 13 - oder vorzugsweise mit einer Walzenpresse - Anspruch 12, d. h. mittels einer Linienpressung, da in einem strichförmigen Bereich leichter höhere Drücke erzielt werden können.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigt

1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform des Monopolarplattenbauteils,
2 eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach 1,
3 eine Explosionsdarstellung einer Redox-Flow-Batterie mit einer Monopolarplatte nach 1 und 2,
4 eine alternative Ausgestaltung der Kontaktstruktur in Form eines Drahtsiebes,
5 eine weitere alternative Ausgestaltung der Kontaktstruktur in Form von Metallwolle,
6 eine weitere alternative Ausgestaltung der Kontaktstruktur in Form von Drahtkorn oder Drahtkies, und
7 den Aufbau einer Redox-Flow-Batterie nach dem Stand der Technik.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung und 2 eine schematische Perspektivdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Monopolarplattenbauteils 10. Die 1 und 2 zeigen die einzelnen Komponenten des Monopolarplattenbauteils 10 vor dem Zusammenfügen zu dem fertigen Bauteil. Die Monopolarplatte 10 umfasst - von unten nach oben in 1 und 2 - einen plattenförmigen Stromabnehmer 12 aus Kupfer, eine Lötpastenschicht 14 aus einem Fluss-/Reduktionsmittel und Weichlotpulver, eine Kontaktstruktur 16 in Form eines Gitterrostes aus Kupfer und eine Monopolarplatte 18 aus einem leitfähigen Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff. Die Dicke der Monopolarplatte 10 liegt zwischen 0,6 und 1,0 mm. Der Gitterrost der Kontaktstruktur 16 weist eine Maschenweite im Bereich zwischen 0,6 und 10,0 mm auf.
Zunächst wird die elektrisch leitende Kontaktstruktur 16 in Form eines Kupferrostes in die vergleichsweise weiche Monopolarplatte 18 eingepresst, und zwar so weit, dass noch ein Teil der Kontaktstruktur 16 aus dem Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff der Monopolarplatte 18 herausragt. Dieses Einpressen der Kontaktstruktur kann zusätzlich mit Wärme erfolgen, um den Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff weicher und das Einpressen einfacher zu machen. Das Verpressen von Kontaktstruktur 16 mit der Monopolarplatte 18 erfolgt bei 100°C bis 200°C, je nach dem welches Polymer in der Monopolarplatte 18 eingesetzt wird. Als Polymer für die Monopolarplatte 18 eigenen sich insbesondere Fluorkunststoff, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyfluoralkoxyalkan (PFA), Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Polyvenyldifluorid (PVDF) oder Ethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), oder Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Die Temperatur darf nur so hoch sein, dass die Monopolarplatte 18 zwar weich aber nicht flüssig und auch nicht zersetzt wird. Anschließend wird der Stromabnehmer 12 und/oder die Monopolarplatte 18 mit der Lötpastenschicht 14 versehen, zusammengedrückt und miteinander verlötet.
Als alternative Ausgestaltung - nicht dargestellt - kann die Kontaktstruktur 16 bereits vor dem Einpressen in die Monopolarplatte 18 mit Weichlötzinn beschichtet sein. Entsprechend kann auch der Stromabnehmer 12 vorab mit Weichlötzinn flächig lotbeschichtet werden. Dieses Vorverlöten kann mit einer Weichlötpaste mit dem enthaltenen Flussmittel umgesetzt werden, oder aber durch Galvanisieren der entsprechenden Lotlegierungen auf die zu verbindenden Bauteile. In diesen Fällen kann die Verlötung von Stromabnehmer 12 und der Kontaktstruktur 16 in der Monopolarplatte 18 unmittelbar danach erfolgen. Das Vorsehen einer Lötpastenschicht 14 vor dem Verlöten erübrigt sich dann.
Die Lötpastenschicht 14 oder die Lötbeschichtung der Kontaktstruktur 16 besteht z. B. aus 60% Metall und 40% Fluss-/Reduktionsmittel. In nachfolgender Tabelle 1 sind verschieden Weichlote mit zugehörigem Schmelzpunkt angegeben, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind. Tab.1: Beispielhafte Lotzinnlegierungen

Zusammensetzung Schmelzpunkt (°C)

Sn97C3 230 - 250

Sn40Pb60 190 - 210

Sn60Pb40 183 - 190

Bi50Sn25Pb25 (Roses Metall) 94

Woodsches Metall 70-80
3 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung der Anordnung des Monopolarplattenbauteils 10 in einer Redox-Flow-Batterie in Stapelbauweise. Eine Membran 20 wird links und rechts von Elektroden 22 eingefasst, die in einen Flussrahmen 24 eingesetzt sind. Abgeschlossen wird die Redox-Flow-Batterie links und rechts durch ein Monopolarplattenbauteil 10 nach 1 und 2 mit Monopolarplatte 18 und Stromabnehmer 12. In 3 ist bei dem Monopolarplattenbauteil 10 links die Kontaktstruktur 16 bereits in die Monopolarplatte 18 eingepresst, bei dem Monopolarplattenbauteil 10 rechts ist die Kontaktstruktur 16 noch getrennt von der Monopolarplatte 18 dargestellt.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Kontaktstruktur 16 in Form eines Drahtgitters aus Kupferdraht mit einer Maschenweite von 0,6 bis 2,0 mm und einer Drahtdicke von 0,1 bis 0,4 mm.
5 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Kontaktstruktur 16 in Form von Metallwolle dargestellt.
6 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Kontaktstruktur 16 in Form von Drahtkorn oder Drahtkies dargestellt. Die Draht- oder Metallteile können hierbei kugelig oder spratzig ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste:

2: Elektrolyttanks
3: elektrochemischer Reaktor, Zelle
4: Membran
5: Elektroden
6: Monopolarplatten
7: Stromabnehmer
8: Stromanschluss
10: Monopolarplattenbauteil
12: Stromabnehmer
14: Lötpastenschicht
16: Kontaktstruktur
18: Monopolarplatte
20: Membran
22: Elektroden
24: Flussrahmen

Claims

Monopolarplattenbauteil (10) für chemische Reaktoren, insbesondere für Redox-Flow-Batterien, mit einer Monopolarplatte (18), einer Kontaktstruktur (16) aus einem elektrisch leitenden Material, das härter ist als die Monopolarplatte (18), und einem Stromabnehmer (12) aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstruktur (16) in die Monopolarplatte (18) eingepresst ist, dass der Stromabnehmer mit der eingepressten Kontaktstruktur (16) verlötet ist, dass die Monopolarplatte (18) aus einem Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff ist und dass die Kontaktstruktur (16) die Monopolarplatte (18) nicht vollständig durchsetzt und zum Teil aus der Monopolarplatte (18) hervorragt.
Monopolarplattenbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstruktur (16) eine Gitterstruktur ist.
Monopolarplattenbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (16) eine Maschenweite im Bereich zwischen 0,6 und 10,0 mm aufweist.
Monopolarplattenbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (16) ein Drahtgitter mit einer Maschenweite zwischen 0,6 und 2,0 mm ist und der Gitterdraht eine Durchmesser im Bereich zwischen 0,1 und 0,4 mm aufweist.
Monopolarplattenbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstruktur (16) aus Drahtkorn, Drahtkies, Metallpulver oder Metallwolle besteht.
Monopolarplattenbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstruktur (16) vorzugsweise aus Kupfer, Eisen, Stahl, Blei, Zink, Nickel, Wolfram, Titan oder auch aus Legierungen der vorgenannten Metalle besteht.
Monopolarplattenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil der Monopolarplatte (18) zwischen 80 und 97 Gewichtsprozent beträgt.
Monopolarplattenbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein thermisch stabiler Fluorkunststoff, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyfluoralkoxyalkan (PFA), Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Polyvenyldifluorid (PVDF) oder Ethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), oder Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) ist.
Monopolarplattenbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Monopolarplatte im Bereich zwischen 0,6 und 1,2 mm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Monopolarplattenbauteils (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: a) Bereitstellen Monopolarplatte (18) aus einem Graphit-Polymer-Verbundwerkstoff, einer Kontaktstruktur (16) aus einem elektrisch leitenden Material, das härter ist als die Monopolarplatte (18), einer Lötpastenschicht (14) und einem Stromabnehmer (12) aus elektrisch leitendem Material; b) Verpressen der Kontaktstruktur (16) und der Monopolarplatte (18); und c) Verlöten des Stromabnehmers (12) mit der Monopolarplatte (18) im Bereich der Kontaktstruktur (16) mit der Lötpastenschicht (14) dazwischen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpastenschicht (14) eine Fluss-/Reduktionsmittel und Weichlotpulver enthält.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) mittels Linienpressung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) mittels Flächenpressung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) mittels Weichlöten unter 200°C oder unterhalb der Zersetzungstemperatur des Matrixkunststoffs des Graphit-Polymer-Verbundwerkstoffs der Monopolarplatte (18) erfolgt.
Redox-Flow-Batteriestack mit wenigstens einer Zelle, die zwei Bipolarplatten oder Monopolarplatten, zwei Elektroden und eine Membran (20) umfasst wobei die wenigstens eine Zelle an den jeweiligen Enden des Stacks ein Monopolarplattenbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.