Redox-Flussbatterie mit wenigstens einer Zelle und einem Elektrodenelement sowie Verfahren zur Herstellung einer Leit struktur eines Elektrodenelements einer Redox-Flussbatterie

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flussbatterie mit wenigs tens einer Zelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen wenigstens einer Leitstruktur eines Elektrodenelements einer Redox-Flussbatterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.

Eine Redox-Flussbatterie, welche auch als Flüssigbatterie, Nasszelle oder nach dem Englischen als Redox-Flow-Batterie bezeichnet wird, ist eine Ausführungsform eines Akkumulators. Die Redox-Flussbatterie kann zukünftig eine große Bedeutung bei der Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen erlangen, da sie fluktuierende Energien wie Sonnen- und/oder Windenergie speichern und bei Bedarf wieder abgeben kann. Ein die Redox-Flussbatterie charakterisierendes Merkmal ist, dass die Speicherung der chemischen Energie nicht wie üblich in einem Feststoff, sondern in einem flüssi gen Elektrolyten erfolgt. Dieser lagert in der Regel in zwei separaten Tanks und kann bei Bedarf in einer Zelle der Redox- Flussbatterie umgesetzt werden. In einem Inneren der Zelle befinden sich zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode. Eine, insbesondere ionenleitende, Membran trennt beziehungs weise unterteilt die Zelle in zwei Halbzellen, dabei ist je weils eine Elektrode in jeweils einer der Halbzellen angeord net. Eine häufig verwendeter Typ der Redox-Flussbatterie ist die Vanadium-Redox-Flussbatterie, bei welcher in beiden

Elektrolyten, also dem Elektrolyten, welcher an einer Anode vorbeifließt sowie dem Elektrolyten, welcher an einer Kathode vorbeifließt, Vanadiumverbindungen enthalten sind. Beim Ent laden der Redox-Flussbatterie findet dann an der Anode fol gende Oxidation statt: V ²⁺ V ³⁺ +e . An der Kathode findet beim Entladen folgende Reduktion statt: V0 ₂ ⁺ +2H ⁺ +e VO ²⁺ ₊ H ₂ O . An der Anode werden Elektronen zur Verfügung gestellt, welche die Kathode aufnimmt, wodurch ein Strom zwischen beiden Elektro den fließt. Aufgrund der jeweiligen Elektrodenreaktion ent steht zwischen den beiden Halbzellen ein Ladungsungleichge wicht, weshalb ein Ladungsaustausch durch die Membran statt zufinden hat. Diese Reaktion ist bei der Redox-Flussreaktion umkehrbar, sodass die Redox-Flussbatterie wieder aufgeladen werden kann. In der Regel umfasst solch eine Redox-Fluss batterie nicht nur eine Zelle, sondern es sind mehrere Zellen zu einem sogenannten Stack gestapelt, wodurch beispielsweise ein Vielfaches an Leistung erreicht werden kann.

Ein Vorteil von Redox-Flussbatterien liegt darin, dass sich ihre Speicherkapazität unabhängig von ihrer elektrischen Leistung optimieren lassen kann. So ist die Speicherkapazität in erster Linie abhängig von der Größe der Elektrolyttanks. Die elektrische Leistung, also die Menge an elektrischer Energie pro Zeiteinheit, kann auf verschiedene Arten verbes sert werden. Beispielsweise durch Optimierung der Elektroden, der Membran oder des beziehungsweise der Elektrolyten sowie die Größe des Stacks.

Beispielsweise sollte die Elektrode eine hohe chemische und mechanische Stabilität aufweisen. Zusätzlich sollte sie eine besonders große Leitfähigkeit und eine besonders große aktive Oberfläche aufweisen. Die Hauptfunktion der Membran ist der Ladungsausgleich, also der Austausch von, insbesondere selek tierbaren, Ionen. Dabei ist jedoch eine Vermischung der

Elektrolyten, welche durch die jeweilige Halbzelle fließt, mit dem jeweils anderen Elektrolyten nicht erwünscht. Dabei sollte auch die Membran chemisch stabil sein und einen gerin gen Widerstand aufweisen. Für den Elektrolyten kann bei spielsweise eine besonders hohe Löslichkeit von Ionen vor teilhaft sein.

Nachteilig bei Redox-Flussbatterien kann beispielsweise das Auftreten von hohen elektrischen und/oder ionischen Wider ständen sein, welche zu Verlusten führen können. Ferner kön- nen eine eingeschränkte Reaktionskinetik oder hohe Diffusi onswiderstände ebenfalls zu Verlusten führen. Eine Spannungs effizienz kann beispielsweise durch Polarisationsverlust ins besondere während eines Ladezyklus beeinflusst werden. Diffu sionswiderstände kommen beispielsweise dadurch zustande, dass eine Umlagerung von Elektronen an der Dreiphasengrenze durch Diffusionsprozesse geschehen kann. Daher sollte innerhalb der gesamten Zelle beziehungsweise Halbzelle eine möglichst glei che Konzentration an beispielsweise Ionen und/oder Elektronen im Elektrolyten vorliegen, das heißt der Elektrolyt sollte besonders homogen sein. Zur Reduktion von konzentrationsab hängigen Verlusten kann unter anderem der Volumenfluss des Elektrolyten über die Zelle erhöht werden. Dies kann jedoch zu einer Zunahme hydrodynamischer Druckverluste in der Zelle führen .

Die genannten Verluste können alle gleichzeitig in der Elekt rode beziehungsweise an Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt in der Redox-Flussbatterie auftreten. In konventi onellen Redox-Flussbatterien wird der Elektrolyt mittels ei nes sogenannten Flow-Fields (Strömungsfeld) an beziehungswei se durch die Elektrode gepumpt. Dabei bildet das Flow Field eine Leitstruktur, welche als Teil eines Elektrodenelements an der Elektrode, jedoch getrennt von dieser, angeordnet ist.

Die US 9 166 243 B2 zeigt eine Flussbatterie, welche eine erste flüssigkeitsporöse Elektrode, eine zweite flüssigkeits poröse Elektrode, welche von der ersten flüssigkeitsporösen Elektrode beabstandet ist, und eine Ionenaustauschmembran um fasst. Die Ionenaustauschmembran ist zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet. Ein erstes und ein zweites Strömungsfeld sind benachbart zu der jeweili gen ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet, wobei die Strömungsfelder Kanäle mit zumindest teilweise blo ckierten Ein- beziehungsweise Auslässen aufweisen.

Des Weiteren zeigt die US 8 808 897 B2 eine Elektrodenstruk tur einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie, welche eine Protonen- austauschmembran, zwei Graphitpapiere, zwei Graphit-Filzein heiten, zwei Plättchen, zwei Graphitplatten, zwei Metallplat ten und eine Verriegelungsfixiervorrichtung aufweist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Redox-Fluss- batterie zu schaffen, in welcher der Elektrolyt besonders vorteilhaft an die Elektrode beziehungsweise durch die Elekt rode geführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Redox-Fluss- batterie gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ferner offenbart der Patentanspruch 15 ein Verfahren zur Herstellung einer Leitstruktur eines Elektrodenelements einer Redox-Fluss- batterie. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Wei terbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen an gegeben .

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Redox-Fluss- batterie mit wenigstens einer Zelle, welche durch eine Memb ran in Halbzellen unterteilt ist. Die jeweilige Halbzelle um fasst einen Stromableiter und ein Elektrodenelement, welches in einem von einem Elektrolyt durchströmbaren Innenraum der jeweiligen Halbzelle angeordnet ist und eine Elektrode sowie eine Leitstruktur aufweist. Der Elektrolyt kann vorteilhaf terweise mittels einer Pumpe in beziehungsweise durch die je weilige Halbzelle gepumpt beziehungsweise gefördert werden, sodass der Elektrolyt durch die Halbzelle fließen beziehungs weise strömen kann.

Um nun den Elektrolyten besonders vorteilhaft an beziehungs weise durch die Elektrode zu führen beziehungsweise zu för dern, ist die Leitstruktur zum Leiten des Elektrolyten erfin dungsgemäß in die zugeordnete Elektrode integriert. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass beispiels weise bei Elektrolyten, deren Redox-Paare eine besonders schnelle Reaktionskinetik aufweisen, Verluste durch Diffusi onsüberspannungen dominieren können. Bestehende bisherige Konzepte für die Durchströmung der Zelle mit Elektrolyten er- weisen sich dabei als unzulänglich. So wird im Stand der Technik zum einen der Elektrolyt direkt durch die Elektrode gepumpt oder der Elektrolyt wird in Kanälen an der Elektrode vorbei gepumpt. Dabei spricht man zum einem von einer Flow- Through-, zum anderen von einer Flow-By-Struktur .

Im Unterschied dazu ist bei der erfindungsgemäßen Redox- Flussbatterie die Leitstruktur zusammen mit der Elektrode, insbesondere einstückig und innenliegend, ausgebildet.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die durch die Trennung von Leitstruktur und Elektrode verursachten Übergangswider stände und ein daraus resultierender Spannungsabfall, welcher zu Verlusten führen kann, nicht auftreten. Ferner kann eine Vermischung des Elektrolyten realisiert werden, sodass Diffu sionswiderstände besonders gering ausfallen. Dies wird durch hydrodynamische Berechnungen sowie Versuchsreihen gestützt, welche darüber hinaus in Einklang mit in Analogie durchge führten Simulationsmodellen eines vernetzten Widerstandsnetz werks sind.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektro de als Vlies und/oder Papier und/oder Schaum und/oder Netz und/oder Geflecht und/oder Filz und/oder Schwamm ausgebildet, in welches beziehungsweise welchen die Leitstruktur inte griert ist. Die Elektrode kann dadurch beziehungsweise somit als besonders durchgängig für den Elektrolyten ausgebildet werden. Ferner kann dadurch eine besonders hohe Leitfähigkeit mit zugleich einer besonders hohen aktiven Oberfläche ausge bildet werden. Eine Reduktion beziehungsweise Oxidation in der Redox-Flussbatterie findet an der sogenannten Dreiphasen grenze statt. Je größer somit eine aktive Oberfläche in der Elektrode, beispielsweise durch die Porosität des die Elekt rode bildenden Werkstoffs, ausfällt, desto besser kann die Reduktion beziehungsweise Oxidation stattfinden. Ferner ist durch die Verwendung von Vlies und/oder Papier und/oder

Schaum und/oder Netz und/oder Geflecht und/oder Filz und/oder Schwamm als Grundstruktur der Elektrode eine besonders gute Verteilung des flüssigen Elektrolyten in der Elektrode mög- lieh. Als Werkstoff beziehungsweise Material der Grundstruk tur und somit der Elektrode kann besonders vorteilhafterweise Graphit verwendet werden, sodass die Elektrode besonders fle xibel und besonders porös in ihrer Morphologie ausgebildet werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Leit struktur durch unterschiedliche Dichtebereiche der Elektrode ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Elektrode, welche insbesondere als Vlies ausgebildet ist, mehrere Dichteberei che, also Bereich unterschiedlicher Dichte, auf. Dabei haben benachbarte Dichtebereiche jeweils eine zueinander unter schiedliche Dichte. Simulationsberechnungen deuten darauf hin, dass die Dichtebereiche zueinander vorteilhafterweise asymmetrisch angeordnet sind, um eine Verteilung des Elektro lyten in der Elektrode zu begünstigen. Dabei kann die jewei lige Dichte insbesondere durch die Porosität beziehungsweise Faserstruktur des Werkstoffs der Elektrode beeinflusst sein. Mittels der unterschiedlichen Dichtebereiche kann der Elekt rolyt beziehungsweise können die Elektrolyten gezielt an eine Reaktionsfläche, welche insbesondere die beispielsweise durch Poren gebildete, aktive Oberfläche der Elektrode ist, geführt werden. Darüber hinaus können Druckverluste als auch Verluste durch Diffusionspolarisation besonders gering gehalten wer den. Ferner können durch die Dichtebereiche Verwirbelungen und/oder Vergleichmäßigungen beziehungsweise eine Homogeni sierung des Elektrolyten stattfinden. Durch die Ausbildung unterschiedlicher Dichtebereiche in der Elektrode kann die Redox-Flussbatterie ferner besonders vorteilhaft mit Elektro lyten, welche eine besonders schnelle Reaktionskinetik auf weisen, betrieben werden. Darüber hinaus ergeben sich die ge nannten Vorteile auch für Redox-Flussbatterien mit konventio nellen Elektrolyten, wie beispielsweise Vanadium.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der jeweili ge Dichtebereich der Elektrode abgesteppt. Mit anderen Worten wird in dem porösen, insbesondere faserstrukturierten, Werk stoff der Elektrode, insbesondere dem Vlies und/oder Papier und/oder einem weiteren der oben genannten Grundstrukturen, beispielsweise mittels einer Faser und/oder eines Fadens durch Absteppen ein jeweiliger Dichtebereich ausgebildet. Durch das Absteppen der Dichtebereiche kann die Redox-Fluss- batterie besonders langlebig betrieben werden, da die Dicht ebereiche durch das Absteppen besonders stabil ausbildbar be ziehungsweise ausgebildet sind. Ferner können die Kosten der Redox-Flussbatterie durch das Absteppen beispielsweise beson ders gering gehalten werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Dicht ebereiche in der Elektrode mittels einer Formstruktur des Stromableiters eingeprägt, welcher in Kontakt mit der Elekt rode ist. Mit anderen Worten weist der Stromableiter an we nigstens einer seiner Außenumfangsseiten beziehungsweise Au ßenoberfläche eine, insbesondere dreidimensionale, Struktur auf. Diese Struktur bildet die Formstruktur aus und drückt quasi als Negativ in einem zusammengebauten Zustand der Re dox-Flussbatterie auf die mit ihr in Kontakt stehende Elekt rode, sodass durch ein Verpressen unterschiedliche Dichtebe reiche in der jeweiligen Elektrode ausgebildet sind. Somit können vorteilhafterweise der jeweilige Dichtebereiche beson ders langlebig ausgebildet sein und/oder Kosten gering gehal ten werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leitstruktur einen Kanal, welcher einen eckigen und/oder run den Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten ist ein Kanal in die Elektrode integriert beziehungsweise eingebracht, welcher insbesondere besonders vorteilhaft von dem Elektrolyten durchströmbar ist beziehungsweise durchströmt werden kann.

Ein Inneres des Kanals ist insbesondere frei von dem Werk stoff, aus welchem die Elektrode gebildet ist, also dem Elek trodenmaterial. Die Fläche senkrecht zur Längserstreckungs richtung des Kanals hat eine eckige und/oder runde Grundflä che. Dabei kann bei einem eckigen Querschnitt die Quer- schnittsfläche ein gleichmäßiges oder ungleichmäßiges Polygon sein. Ist der Querschnitt rund, kann die Querschnittsfläche sowohl kreisförmig als auch beispielsweise ellipsenförmig ausgebildet sein. Durch den Kanal der Leitstruktur kann der Elektrolyt besonders vorteilhaft durch die Elektrode geführt und darüber hinaus in dieser verteilt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Quer- schnittsflache des Kanals, welche senkrecht zur Längserstre ckung des Kanals liegt, entlang dieser Längserstreckungsrich tung, insbesondere stetig, eine veränderte Größe auf. Zusätz lich oder alternativ ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Formelement an einer Kanalwandung angeordnet, welches in zumindest einem Teilbereich des Kanals die Quer- schnittsfläche verkleinert oder vergrößert. Mit anderen Wor ten kann der Kanal derart ausgebildet sein, dass er seine Querschnittsfläche entlang seines Verlaufs ändert beziehungs weise verändern kann, das heißt dass die Querschnittsfläche entlang der Flussrichtung des Elektrolyten durch den Kanal sich erweitern oder verjüngen kann. Auch ist denkbar, dass sich die Querschnittsfläche erst erweitert und dann verklei nert, um sich in Flussrichtung gesehen im Anschluss daran wieder zu erweitern oder umgekehrt. Das wenigstens eine zu sätzlich dazu an der Kanalwandung ausgebildete Formelement kann beispielsweise eine konkave Ausbuchtung oder eine konve xe Einbuchtung sein, sodass das Formelement ebenfalls dazu ausgebildet ist, die Querschnittsfläche des Kanals zumindest partiell zu verändern. Durch eine Änderung der Querschnitts fläche des Kanals kann der Druck des durch den Kanal hindurch strömenden Elektrolyten verändert werden, sodass es bei spielsweise zu einer Verwirbelung des Elektrolyten in dem Ka nal kommt, was zu einer Durchmischung beziehungsweise einer Umwälzung in dem Elektrolyten führen kann, wodurch beispiels weise die Ionen des Elektrolyten besonders vorteilhaft an der Elektrode abgegeben beziehungsweise aufgenommen werden kön nen .

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Begrenzungsfläche des Kanals, welche insbesondere Teil der Kanalwandung sein kann, zumindest teilweise deckungs- gleich mit einem Teilbereich einer Oberfläche, insbesondere Außenoberfläche, der Elektrode. Mit anderen Worten teilen sich der Kanal und die Elektrode eine gemeinsame Grenze bei spielsweise zu dem Stromableiter. Dadurch ist es möglich, den Kanal beispielsweise besonders groß auszubilden, sodass die ser die Elektrode zumindest in einem Teilbereich beispiels weise vollständig durchdringen kann. Dadurch kann der Elekt rolyt beispielsweise besonders vorteilhaft zu einzelnen Be reichen der Elektrode geführt beziehungsweise geleitet wer den .

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leitstruktur mehrere Kanäle, wobei die Kanäle zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Das heißt, die je weilige Längserstreckungsrichtung eines jeweiligen Kanals ist zu den Längserstreckungsrichtungen des wenigstens einen ande ren Kanals im Wesentlichen parallel. Dabei ist unter im We sentlichen parallel zu verstehen, dass die Längserstreckungs richtung eines Kanals zu einem anderen höchstens um einen kleinen Winkel verschoben ist, sodass beispielsweise die Längserstreckungsrichtungen der Kanäle insgesamt beispiels weise entlang der Längserstreckungsrichtung der Elektrode orientiert sind. Durch die Ausbildung mehrerer Kanäle kann die Elektrode, insbesondere spezielle Teilbereiche der Elekt rode, besonders vorteilhaft durch den, insbesondere in die Halbzelle eingepumpten beziehungsweise geförderten, Elektro lyten erreicht werden, sodass beispielsweise die innere Ober fläche beziehungsweise Reaktionsfläche der Elektrode für zu mindest einen Teil der Reaktion besonders effizient genutzt werden kann. Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise beispielsweise das gesamte Volumen der Elektrode effizient für die Stromerzeugung nutzbar sein.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen zueinan der benachbarte Kanäle jeweils eine andere Querschnittsfläche auf, wobei die Querschnittsflächen benachbarter Kanäle zuei nander in einem vorgebbaren Verhältnis stehen. Mit anderen Worten hat ein erster Kanal eine erste Querschnittsfläche und ein zu dem ersten Kanal benachbarter zweiter Kanal eine zwei te Querschnittsfläche, ist die erste Querschnittsfläche von der zweiten Querschnittsfläche unterschiedlich. Ein zu dem zweiten Kanal benachbarter dritter Kanal hat eine dritte Querschnittsfläche, welche von der zweiten Querschnittsfläche unterschiedlich ist. Dabei kann die dritte Querschnittsfläche gleich der ersten Querschnittsfläche oder aber ungleich der ersten Querschnittsfläche sein. Unter dem vorgebbaren Ver hältnis ist zu verstehen, dass die jeweilige Querschnittsflä che des jeweiligen Kanals zu dem jeweils benachbarten Kanal ein bestimmtes, vorteilhaftes Verhältnis zueinander aufweist. So haben Simulationsberechnungen gezeigt, dass es beispiels weise vorteilhaft sein kann, wenn die erste Querschnittsflä che einem Wert von 1 entspricht, die zweite Querschnittsflä che beispielsweise einen Wert 2 aufweist und die dritte Quer- schnittsfläche einen Wert von 3. Damit wäre das vorgebbare beziehungsweise vorgegebenen Verhältnis 1:2:3. Somit kann ei ne Kanalbreite beispielsweise bei einer eckigen Kanalquer- schnittsfläche beziehungsweise der Kanaldurchmesser bei einer runden Kanalquerschnittsfläche von einem zum anderen Kanal ein festes Verhältnis aufweisen. Durch die genannten unter schiedlichen Querschnittsflächen der insbesondere benachbar ten Kanäle zueinander kann der Elektrolyt besonders vorteil haft in der Elektrode verteilt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Kanäle sind benachbarte Kanäle jeweils im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Das heißt, hat ein erster Kanal einen ersten Abstand zu einem zweiten Kanal, so ist der Abstand zwischen dem zweiten und einem dritten Kanal gleich dem ersten Abstand, wenn der erste und der zweite Kanal und der zweite und der dritte Kanal je weils benachbart sind. Unter benachbart ist zu verstehen, dass zwischen erstem und zweitem Kanal sowie zwischen zweitem und drittem Kanal jeweils kein weiterer Kanal angeordnet ist. Durch die jeweils gleichen Abstände der benachbarten Kanäle zueinander kann in besonders vorteilhafter Weise die Elektro de gleichmäßig mit dem Elektrolyten versorgbar sein. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung steigt oder sinkt der Abstand jeweils benachbarter Kanäle in eine Vor zugsrichtung der Elektrode. Mit anderen Worten nimmt der Ab stand zwischen jeweils benachbarten Kanälen in einer Vorzu grichtung zu, beziehungsweise wird der Abstand entlang der Vorzugrichtung zwischen jeweils benachbarten Kanälen gerin ger. Das heißt, wenn die Kanäle beispielsweise parallel zur Längserstreckungsrichtung der Elektrode angeordnet sind, so ist ein Abstand zwischen den Kanälen in einer zur Längser streckungsrichtung senkrechten Querrichtung der Elektrode zwischen einem ersten und einem zum ersten benachbarten zwei ten Kanal ein erster Abstand, wohingegen der Abstand zwischen einem zweiten und einem dritten Kanal, welcher zu dem zweiten Kanal und nicht zu dem ersten Kanal benachbart ist, ein zwei ter Abstand ist, welcher größer dem ersten Abstand ist. Ein vierter Kanal, welcher in der Vorzugsrichtung zu dem dritten Kanal benachbart ist, weist zu dem dritten Kanal einen drit ten Abstand auf, welcher größer als der zweite Abstand ist. Dabei kann als Ausgangspunkt für die Vorzugsrichtung ein be liebiger Punkt der Elektrode gewählt werden, sodass bei spielsweise in Querrichtung der Elektrode vom Zentrum star tend zu jeweils einem Ende und zu einem jeweils anderen Ende der Elektrode in der Querrichtung der Abstand steigt bezie hungsweise fällt. Durch die unterschiedlichen Abstände der Kanäle kann, insbesondere je nachdem, wie das Elektrolyt in die Halbzelle eingeleitet wird, in besonders vorteilhafter Weise der Elektrolyt an beziehungsweise durch die Elektrode geführt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Ka näle mäanderartig zueinander angeordnet und zumindest teil weise miteinander direkt verbunden. Das heißt, ein bevorzug ter Bezug einer Längserstreckungsrichtung eines jeweiligen Kanals zu der Längserstreckungsrichtung der Elektrode ist nicht gegeben, sodass beispielsweise ein erster Kanal senk recht auf einem zweiten Kanal stehen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Längserstreckungsrichtung eines ersten Kanals schräg zu der Längserstreckungsrichtung eines weiteren Kanals verlaufen. Dabei können die einzelnen Kanäle der Leit struktur derart zueinander angeordnet sein beziehungsweise eine Ausbreitung aufweisen, dass sich zumindest zwei Kanäle in wenigstens einem Teilbereich entlang ihrer Ausbreitungs richtung schneiden und somit insbesondere besonders fluidisch leitend miteinander verbunden sind. Durch die mäanderartige Anordnung der Kanäle in der Leitstruktur kann in besonders vorteilhafter Weise der Elektrolyt durch die Elektrode för derbar sein beziehungsweise gefördert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Leit struktur wenigstens einen Diffusor auf, mittels welchem der Elektrolyt an die Elektrode oder von der Elektrode weg führ bar ist. Durch den wenigstens einen Diffusor kann eine Len kung beziehungsweise Führung des Elektrolyten stattfinden, sodass der Elektrolyt besonders vorteilhaft mittels der Leit struktur durch die Elektrode führbar ist beziehungsweise nach dem Durchführen durch die Elektrode beispielsweise besonders vorteilhaft zu einem Strom zusammenführbar ist, sodass die Elektrode die Halbzelle besonders effizient durchströmen kann .

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen wenigstens einer Leitstruktur eines Elektrodenele ments einer Redox-Flussbatterie . Dabei weist das Elektroden element eine Elektrode und die Leitstruktur zum Leiten eines Elektrolyten auf. Um die Leitstruktur erfindungsgemäß herzu stellen und dadurch eine Redox-Flussbatterie zu erhalten, durch welche der Elektrolyt besonders vorteilhaft insbesonde re durch die jeweilige Halbzelle und somit die Elektrode leitbar ist, wird die Elektrode erfindungsgemäß mittels addi tiver Fertigung hergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Leitstruktur durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels Gießen der Elektrode mit Einlagen und anschließendem Ausbren nen der Einlagen gebildet werden, sodass die Leitstruktur in die Elektrode besonders vorteilhaft integriert werden kann. Darüber hinaus oder zusätzlich kann durch das erfindungsgemä ße Verfahren mittels Eindrücken der Leitstruktur in die Elektrode die Leitstruktur in der Elektrode integriert wer den. Somit ist die Leitstruktur beispielsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens darstellbar, wodurch die Leitstruktur in der Elektrode in quasi beliebiger Ausgestaltung und an die jeweilige Anforderung des Elektrolyten angepasst ausgebildet werden kann. Dabei kann die Simulation mittels des genannten Widerstandsnetzwerks für eine geeignete Bestimmung der 3D- Struktur herangezogen werden. Durch das Gießen und anschlie ßende Ausbrennen der Strukturen, welche insbesondere für die Kanäle in der Leitstruktur herangezogen werden kann, können diese besonders exakt ausgebildet werden, wodurch die Leit struktur bei einem späteren Betrieb der Redox-Flussbatterie besonders vorteilhaft den Elektrolyten führen kann. Durch das Eindrücken der Leitstruktur, insbesondere der Kanäle, in das Elektrolyt und insbesondere eine daran anschließende Fixie rung der Struktur beispielsweise ebenfalls durch ein Abstep pen, wie es zur Ausbildung der Dichtebereiche verwendbar ist, kann die Leitstruktur beispielsweise besonders kosteneffi zient hergestellt werden. Ferner kann insbesondere das Vlies oder aber auch die anderen genannten Grundstrukturen des Elektrolyten durch eine der genannten Herstellungsarten her gestellt werden.

Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestal tungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umge kehrt .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

FIG 1 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Re dox-Flussbatterie mit einem Elektrodenelement mit Elektrode und Leitstruktur;

FIG 2 schematische Darstellung eines ersten Elektrodenele ments mit unterschiedlichen Dichtbereichen in der Elektrode ; FIG 3 schematische Darstellung eines zweiten Elektrodenele ments mit unterschiedlichen Dichtbereichen in der Elektrode ;

FIG 4 schematische Darstellung eines dritten Elektrodenele ments mit unterschiedlichen Dichtbereichen in der Elektrode, welche durch einen Stromableiter geprägt sind;

FIG 5 schematische Darstellung eines vierten Elektrodenele ments mit im Wesentlichen parallelen Kanälen;

FIG 6 schematische Darstellung eines fünften Elektrodenele ments mit den Kanälen;

FIG 7 schematische Darstellung eines sechsten Elektroden elements mit Kanälen mit unterschiedlichen Quer- schnittsflächen;

FIG 8 schematische Darstellung eines siebten Elektrodenele ments mit mäanderartig angeordneten Kanälen; und

FIG 9 schematische Darstellung eines Schaltplans einer Wi derstandsberechnung zur Simulation eines Elektrolyt flusses durch eine Halbzelle der Redox-Flussbatterie .

FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Redox-Fluss batterie 10 mit einem Elektrodenelement 12 mit Elektrode 14 und Leitstruktur 16. Dabei weist die Redox-Flussbatterie 10 wenigstens eine Zelle 18 auf, welche durch eine Membran 20 in Halbzellen 22 unterteilt ist. Dabei sind in jeder der Halb zellen 22 jeweils ein Elektrodenelement 12 sowie jeweils ein Stromableiter 24 angeordnet. Das jeweilige Elektrodenelement 12 ist in einem von einem Elektrolyten 26 durchströmbaren In nenraum 28 der jeweiligen Halbzelle 22 angeordnet und umfasst die Elektrode 14 sowie die Leitstruktur 16. Die Stromableiter 24 dienen dazu, den in der Zelle 18 zwischen den Halbzellen 22 fließenden elektrischen Strom abzugreifen, um ihn bei spielsweise einem Verbraucher 30 zur Verfügung zu stellen. Andererseits kann die Redox-Flussbatterie 10 über die Strom ableiter 24 geladen werden, falls beispielsweise ein Aus tausch der Elektrolyte 26 für das Laden der Redox-Fluss batterie 10 nicht infrage kommen sollte.

Die Redox-Flussbatterie 10 weist ferner Tanks 32 auf, in wel chen jeweils der Elektrolyt 26 für eine Halbzelle 22 vorhalt bar ist. Mittels einer Pumpeinrichtung 34 kann der jeweilige Elektrolyt 26 über eine Leitung 36 in die jeweilige Halbzelle 22 gefördert werden. Der Elektrolyt 26 wird durch den jewei ligen Innenraum 28 der Zelle gefördert und strömt dabei durch beziehungsweise an der Elektrode 14 vorbei. Dabei ist der Elektrolyt 26 in einer der Halbzellen 22 beispielsweise posi tiv und in der anderen Halbzelle 22 beispielsweise negativ geladen, sodass es über die Membran 20, welche insbesondere eine Ionenaustauschmembran ist, zu einem Ladungsträgeraus tausch kommen kann, wodurch Strom an den Stromableitern 24 beispielsweise für den Verbraucher 30 abgegriffen werden kön nen. Der Elektrolyt 26 fließt anschließend weiter durch die jeweilige Halbzelle 22 und aus dieser heraus und wird wieder zu dem Tank 32 gefördert.

Bei dem Betrieb einer Redox-Flussbatterie 10 kann es zu Ver lusten kommen, welche beispielsweise die elektrische Effizi enz beziehungsweise Spannung herabsetzen könnten. So können diese Verluste an unterschiedlichen Stellen der Redox-Fluss batterie 10 auftreten und unterschiedliche Ursachen haben. Beispielsweise können hohe elektrische beziehungsweise ioni sche Widerstände oder eine eingeschränkte Reaktionskinetik oder hohe Diffusionswiderstände auftreten. Zusätzlich kann es zu konzentrationsabhängigen Verlusten unter anderem in einem Volumenfluss des Elektrolyten 26 kommen.

Um die Verluste besonders gering zu halten und den Elektroly ten 26 besonders vorteilhaft an die Elektrode 14 beziehungs weise durch die Elektrode 14 zu führen beziehungsweise diesen durch die Elektrode 14 durchströmen zu lassen, ist die Leit struktur 16 zum Leiten des Elektrolyten 26 in die jeweils zu geordnete Elektrode 14 integriert.

Dabei ist die Elektrode 14 vorzugsweise als Vlies und/oder Papier und/oder Schaum und/oder Netz und/oder Geflecht und/ oder Filz und/oder Schwamm ausgebildet. Das heißt, die Elekt rode 14 ist zumindest aus einem, insbesondere flexiblen, po rösen Werkstoff gebildet beziehungsweise weist die Elektrode 14 eine poröse Grundstruktur auf, wobei der Werkstoff, insbe sondere je nach verwendeten Elektrolyten 26, insbesondere Kohlenstoff aufweisen kann. Die Leitstruktur 16 ist somit in ein Vlies und/oder Papier und/oder Schaum und/oder Netz und/ oder Geflecht und/oder Filz und/oder Schwamm integriert.

Wird auf die Leitstruktur 16 in der Elektrode 14 verzichtet, wie es im Stand der Technik der Fall ist, kann keine optimale Verteilung des Elektrolyten 26 erreicht werden. Dies würde in einer inhomogenen Verteilung von Elektrolytströmen entlang der Membran 20 resultieren und beim Laden oder Entladen der Zelle 18 zu Konzentrationsunterschieden des Elektrolyten 26 in seiner Trägerflüssigkeit und somit letztendlich zu erhöh ten Diffusionsverlusten führen.

FIG 2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Elekt rodenelements 12 mit unterschiedlichen Dichtebereichen 38 in der Elektrode 14. Durch die Ausbildung unterschiedlicher Dichtebereiche 38 in der Elektrode 14, welche beispielsweise als Vlies ausgebildet ist, wobei benachbarte Dichtebereiche 38 jeweils eine zueinander unterschiedliche Dichte aufweisen, kann beispielsweise eine Verwirbelung und/oder Vergleich mäßigung des Elektrolyten 26 in der Elektrode 14 stattfinden. So kann beispielsweise der Elektrolyt 26 homogenisiert wer den, sodass eine besonders gleichmäßige Verteilung von Ionen in dem Elektrolyten 26 vorliegen kann, wodurch eine Reduktion beziehungsweise Oxidation an der durch die Porosität der Elektrode 14 gegebenen großen inneren Oberfläche möglichst überall stattfinden kann. Dadurch sind Diffusionsspannungen beziehungsweise Polarisationsverluste vorteilhafterweise be sonders gering.

FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten

Elektrodenelements 12 mit einer alternativen Anordnung von unterschiedlichen Dichtebereichen 38 in der Elektrode 14. Vorteilhafterweise ist der jeweilige Dichtebereich 38 der Elektrode 14 abgesteppt, wodurch er insbesondere besonders formstabil und dadurch langlebig ausgebildet ist. Durch ver schiedene Simulationsberechnungen insbesondere eines Wider standsnetzwerks, wovon eines als Beispiel in FIG 9 gezeigt ist, hat sich ergeben, dass je nach verwendetem Elektrolyten 26 und der Verteilung einer aktiven Spezies, welche bei spielsweise das Reduktionsmittel ist, eine asymmetrische Struktur beispielsweise der Dichtebereiche 38 in der Leit struktur 16 von Vorteil sein kann.

Je nach verwendetem Elektrolyten 26, welcher beispielsweise Vanadium oder ein Polymer umfassen kann, kann aber auch eine wie in der FIG 3 gezeigte symmetrische Struktur der Leit struktur 16 vorteilhaft sein. Vorteilhafterweise kann der Elektrolyt 26 über einen nicht gezeigten Diffusor an das Elektrodenelement 12 geführt werden. Dieser kann zusätzlich oder alternativ zu den beispielsweise gezeigten Dichteberei chen 38 einen weiteren Teil der Leitstruktur 16 ausbilden. Dadurch kann der Elektrolytstrom des Elektrolyten 26 bei spielsweise durch den Diffusor beziehungsweise eine Diffusor einrichtung dahingehend verändert werden, dass eine bessere Durchmischung des Elektrolyten 26 ermöglicht werden kann, wodurch Diffusionsverluste besonders gering gehalten werden können .

Durch die Dichtebereiche 38 der somit dichtevariable Elektro de 14, welche insbesondere eine Grundstruktur eines Vlieses aufweisen kann, kann das Elektrolyt 26 gezielt an die wenigs tens eine Reaktionsfläche geführt werden. Als Reaktionsfläche kann eine Dreiphasengrenze angesehen werden, welches ein Be reich an der Elektrode 14 sein kann, an welchem zumindest ein Teil der Redox-Reaktion zur Stromgewinnung in der Redox- Flussbatterie 10 ablaufen kann. Ferner können durch die Dich tevariation der Leitstruktur 16 in der Elektrode 14 Druckver luste besonders gering gehalten werden und zusätzlich oder alternativ eine Diffusionspolarisation besonders gering ge halten werden. Eine Möglichkeit, die Dichtebereiche zu erzeu gen, ist das Absteppen, sodass die dichtevariable Elektrode 14 beziehungsweise ein für die Elektrode 14 verwendeter Werk stoff bereits bei seiner Herstellung die Leitstruktur 16 auf weisen kann. Eine Alternative hierzu zeigt FIG 4.

FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten

Elektrodenelements 12 mit unterschiedlichen Dichtebereichen 38 in der Elektrode 14, wobei die Dichtebereiche 38 durch den Stromableiter 24 in die Elektrode 14 geprägt sind. Dazu weist der Stromableiter 24 eine Formstruktur 40 auf. Die Formstruk tur 40 kann beispielsweise aus einem dreidimensionalen Relief ausgebildet sein, welches sich an einer der Elektrode 14 zu gewandten Oberfläche des Stromableiters 24 befindet bezie hungsweise an oder auf dieser angeordnet ist. So kann zumin dest ein Teil der Leitstruktur 16 durch den Stromableiter 24 bei einem Verpressen während eines Einbaus in die Redox- Flussbatterie 10 in einem Elektrodenmaterial, aus welchem die Elektrode 14 gebildet ist und welches eine homogene Dichte aufweist, durch die Verpressung eine unterschiedliche Ver- pressungsdichte erreicht werden. Dadurch ist in der Redox- Flussbatterie 10 die Leitstruktur 16 in der Elektrode 14 be sonders vorteilhaft und formstabil integrierbar beziehungs weise integriert.

FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten

Elektrodenelements 12 mit im Wesentlichen parallelen Kanälen 42. Vorteilhafterweise umfasst die Leitstruktur 16 wenigstens einen Kanal 42, welcher einen eckigen und/oder runden Quer schnitt aufweist. Dabei kann vorteilhafterweise wenigstens eine Begrenzungsfläche des Kanals 42 zumindest teilweise de ckungsgleich mit einem Teilbereich einer Oberfläche, insbe sondere der äußeren, außenumfangsseitigen Oberfläche, der Elektrode 14 ausgebildet sein. Durch die in die Elektrode 14 eingearbeiteten Kanäle 42, kann das Elektrodenelement 12 ins besondere im Vergleich zu dem Stand der Technik besonders vorteilhaft einstückig ausgebildet sein. Dabei ist die äußere Oberfläche nicht die innere Oberfläche, welche durch die Po rosität des Elektrodenmaterials gegeben ist, sondern die äu ßere Oberfläche ist die Fläche, welche die geometrische Form der Elektrode 14 hin zu einer Umgebung abgrenzt.

Durch die Kanäle 42 erfährt der durch die Elektrode 14 zu fördernde Elektrolyt 26 einen besonders geringen Strömungswi derstand. Dadurch kann er besonders vorteilhaft zu einer je weiligen Reaktionsfläche der Elektrode 14 transportiert wer den. Durch die Porosität der Elektrode 14 herrscht ein im Vergleich zu den Kanälen 42 größerer Strömungswiderstand in nerhalb der Elektrode 14 abseits der Kanäle 42. Daher ist mittels der Kanäle 42 der Elektrolyt 26 besonders beweglich und vorteilhaft förderbar. Die Kanäle 42 sind dabei so ausge bildet, dass das Elektrolyt 26 zu einem entsprechenden, durch die Ausgestaltung der Kanäle 42 definierbaren Anteil durch die Kanäle 42 gefördert wird und somit jeweils ein definier barer Anteil die jeweils aktive Zone beziehungsweise die je weilige wenigsten eine Reaktionsfläche der Elektrode 14 er reichen kann. Somit kann durch die Leitstruktur 16 ein deut lich geringerer Strömungswiderstand in der Elektrode 14 rea lisiert werden, ohne die aktive Fläche beziehungsweise die Reaktionsflächen für einen Teil der Redox-Reaktion in der Elektrode 14 wesentlich zu verkleinern.

Durch die vorteilhafte, im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Kanäle 42 zueinander in der Leitstruktur kann der Elekt rolyt 26 besonders vorteilhaft gefördert werden. Um einen möglichst gleichmäßigen Strom des Elektrolyten 26 durch die Elektroden 14 zu erhalten, können benachbarte Kanäle 42 vor zugsweise im gleichen Abstand zueinander angeordnet sein. Wie in FIG 5 gezeigt, ist jeweils ein Kanal 42 abwechselnd hin zum oberen Ende der Abbildung und der benachbarte danebenlie gende Kanal 42 hin zum unteren Rand der Bildebene in FIG 5 geöffnet, sodass die Kanäle 42 in einer Art Verzahnung ange ordnet sind, wobei jeweils der Abstand 44 zwischen benachbar ten Kanälen 42 gleich bleibt und die Kanäle 42 jeweils den gleichen Durchmesser beziehungsweise Querschnittsfläche 46 aufweisen. Vorzugsweise kann der Durchmesser eines Kanals 42 insbesondere eine Breite beziehungsweise einen Durchmesser von 1 bis 3 Millimeter aufweisen, wobei beispielsweise auch ein Durchmesser von bis zu 5 Millimetern oder mehr realisiert werden kann.

FIG 6 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Elek trodenelements 12 mit den Kanälen 42. Hier weisen benachbarte Kanäle 42 jeweils eine andere Querschnittsfläche 46 auf, wo bei die Querschnittsfläche 46 benachbarter Kanäle 42 zueinan der in einem vorgebbaren Verhältnis stehen. Ferner ist der Abstand 44 zwischen jeweils benachbarten Kanälen 42 so ge wählt, dass er in eine Vorzugsrichtung 48 der Elektrode 14 steigt .

FIG 7 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Elektrodenelements 12 mit Kanälen 42 mit unterschiedlichen Querschnittsflächen 46. Dabei ist die jeweilige Querschnitts fläche 46 eines jeweiligen Kanals 42, welche senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 50 des Kanals 42 liegt, entlang der Längserstreckungsrichtung 50, derart ausgebildet, dass ihre Größe entlang der Längserstreckungsrichtung, insbesondere stetig, variiert. Alternativ ist wenigstens ein Formelement 52 an einer Kanalwandung 54 angeordnet, sodass zumindest in einem bestimmten Teilbereich des Kanals 42 die Querschnitts fläche 46 verkleinert oder vergrößert wird. Die Anordnung des jeweiligen Formelements 52, welches beispielsweise als konka ve oder konvexe Ausbuchtung beziehungsweise Einbuchtung aus gebildet sein kann, kann beispielsweise als Druckminderer in dem jeweiligen Kanal 42 fungieren.

FIG 8 zeigt eine schematische Darstellung eines siebten

Elektrodenelements 12 mit mäanderartig angeordneten Kanälen 42. Vorteilhafterweise können mehrere Kanäle 42 mäanderartig zueinander angeordnet sein und zumindest teilweise direkt, insbesondere fluidisch beziehungsweise elektrolytisch lei tend, miteinander verbunden sein.

Zusammenfassend kann der Kanal 42 beziehungsweise eine Anord nung aus mehreren Kanälen 42 derart ausgebildet sein, dass Kanalbreiten benachbarter Kanäle 42 in einem festen Verhält nis von beispielsweise 1 zu 2 zu 3 stehen, wobei unter einem benachbarten Kanal 42 jeweils ein zu einem ersten Kanal 42 zweiter Kanal 42 ausgebildet ist und zwischen dem ersten Ka nal 42 und dem zweiten Kanal 42 kein dritter Kanal 42 ange ordnet ist. Durch eine Verwendung des genannten Diffusors kann eine Verteilung des Elektrolyten 26 unterschiedlich auf mehrere Kanäle 42 verteilt werden. So kann beispielsweise ei ne Verteilung des Elektrolyten 26 im Fall des 1 zu 2 zu 3 re alisiert werden beziehungsweise kann beispielsweise eine Flusszunahme von 30 % pro Kanal 42 von innen, das heißt, ei nen Teilbereich, der näher an der Membran 20 des Elektrolyten 26 angeordnet ist, hin zu einem äußeren, das heißt weiter weg von der Membran 20 entfernten Teilbereich der Elektrode 14 realisiert werden. Somit kann die Leitstruktur 16, welche in der Elektrode 14 des Elektrodenelements 12 integriert ist, derart ausgebildet sein, dass eine jeweilige Strömungsrich tung in der Elektrode 14 des Elektrolyten 26 unabhängig von einem Ort in dem Innenraum 28 der Halbzelle 22 ist, sodass jeder beliebige Ort innerhalb des jeweiligen Innenraums 28 der Zelle 18 beziehungsweise der jeweiligen Halbzelle 22 von einem gleichen Volumenstrom des Elektrolyten 26 durchströmt werden kann.

Durch die gezeigten Ausführungsformen der Leitstruktur 16 des Elektrodenelements 12 kann beispielsweise der hydrodynamische Widerstand innerhalb der Elektrode 14 um bis zu einen Faktor 10 reduziert werden. Die jeweilige Querschnittsfläche 46 des jeweiligen Kanals 42 kann pro Kanal 42 beispielsweise vor teilhafterweise um bis zu 30 % variiert werden, sodass von außen nach innen beziehungsweise von dem Ort, an dem das Elektrolyt 26 in die Halbzelle 22 einströmt, zu dem Ort, aus dem das Elektrolyt 26 aus der Halbzelle 22 ausströmt, die Flächenzunahme um bis zu 30 % beziehungsweise einen Wert von 0 bis 30 % in der Änderung der Querschnittsfläche 46 vorteil haft sein. Auch kann die Flächenzunahme beziehungsweise Flä chenabnahme größer ausfallen als 30 %.

FIG 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans 56 für eine Widerstandsberechnung zur Simulation eines Elekt rolytflusses durch eine Halbzelle 22 der Redox-Flussbatterie 10. Durch Simulationsrechnungen konnten die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Leitstruktur 16 sowie deren Vorteile überprüft werden. Dazu wurde ein Derivat des Pro gramms SPICE für die Berechnung verwendet. In dem Simulati onsmodell entspricht die Spannung V der Pumpleistung, welche den Fluss des Elektrolyten 26 durch die Zelle 18 repräsen tiert. Die Stromstärke I in dem Simulationsmodell entspricht dem Materiestrom, also der tatsächlichen Menge des Elektroly ten 26, welcher durch eine bestimmte Fläche beziehungsweise Durchströmvolumen durch die Zelle 18 gefördert wird.