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.